RU2548604C2 - Piezoelectric and/or pyroelectric composite solid material, method of obtaining thereof and thereof application - Google Patents

Piezoelectric and/or pyroelectric composite solid material, method of obtaining thereof and thereof application Download PDF

Info

Publication number
RU2548604C2
RU2548604C2 RU2012127275/28A RU2012127275A RU2548604C2 RU 2548604 C2 RU2548604 C2 RU 2548604C2 RU 2012127275/28 A RU2012127275/28 A RU 2012127275/28A RU 2012127275 A RU2012127275 A RU 2012127275A RU 2548604 C2 RU2548604 C2 RU 2548604C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanoparticles
piezoelectric
dielectric matrix
pyroelectric
hybrid material
Prior art date
Application number
RU2012127275/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012127275A (en
Inventor
Жан-Фабьен КАПСАЛЬ
Шарлотта ДАВИД
Эрик ДАНТРА
Колетт ЛЯКАБАН
Original Assignee
Юниверсите Поль Сабатье Тулуз Iii
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юниверсите Поль Сабатье Тулуз Iii filed Critical Юниверсите Поль Сабатье Тулуз Iii
Publication of RU2012127275A publication Critical patent/RU2012127275A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2548604C2 publication Critical patent/RU2548604C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/62259Fibres based on titanium oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625Wet mixtures
    • C04B35/6263Wet mixtures characterised by their solids loadings, i.e. the percentage of solids
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/10Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point
    • H10N15/15Thermoelectric active materials
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • H10N30/09Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/092Forming composite materials
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/852Composite materials, e.g. having 1-3 or 2-2 type connectivity
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3215Barium oxides or oxide-forming salts thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208Fibers
    • C04B2235/526Fibers characterised by the length of the fibers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208Fibers
    • C04B2235/5264Fibers characterised by the diameter of the fibers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5284Hollow fibers, e.g. nanotubes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5296Constituents or additives characterised by their shapes with a defined aspect ratio, e.g. indicating sphericity
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C04B2235/6028Shaping around a core which is removed later
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00Nanotechnology
    • Y10S977/70Nanostructure
    • Y10S977/778Nanostructure within specified host or matrix material, e.g. nanocomposite films
    • Y10S977/783Organic host/matrix, e.g. lipid
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00Nanotechnology
    • Y10S977/70Nanostructure
    • Y10S977/811Of specified metal oxide composition, e.g. conducting or semiconducting compositions such as ITO, ZnOx
    • Y10S977/812Perovskites and superconducting composition, e.g. BaxSr1-xTiO3
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00Nanotechnology
    • Y10S977/70Nanostructure
    • Y10S977/832Nanostructure having specified property, e.g. lattice-constant, thermal expansion coefficient
    • Y10S977/837Piezoelectric property of nanomaterial
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/31504Composite [nonstructural laminate]
    • Y10T428/31678Of metal
    • Y10T428/31692Next to addition polymer from unsaturated monomers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to piezoelectric and/or pyroelectric composite material. Essence: material includes dielectric matrix (11), filler from at least one inorganic piezoelectric and/or pyroelectric material. Filler includes thread-like nanoparticles (12), distributed on the entire volume of solid dielectric matrix (11) with amount by volume less than 50%. Main elongation directions of fibre-like nanoparticles (12) of inorganic filler, distributed in dielectric matrix (11), have in fact isotropic distribution in solid dielectric matrix (11). Invention also relates to method of manufacturing and application of such hybrid material for production of construction components and films on carrier, obtained by precipitation on such substrate surface.
EFFECT: high piezoelectric and/or pyroelectric response with reduced part of functional filler, provision of combination of plasticity, strength and low dielectric permeability of organic polymer materials with electrically active properties of inorganic piezoelectric and/or pyroelectric materials, low intensity of electric field at polarisation.
21 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к пьезоэлектрическому и/или пироэлектрическому композиционному твердому материалу, к способу его получения и к применению такого материала.The invention relates to a piezoelectric and / or pyroelectric composite solid material, to a method for its preparation and to the use of such a material.

Изобретение находит свое применение в области акустических преобразователей, пьезоэлектрических резонаторов, датчиков давления и/или ускорения, приводов, особенно прямых исполнительных механизмов (приводов), способных генерировать шаги перемещения от 0,1 до 100 мкм, в частности для атомно-силовой микроскопии и сканирующей туннельной микроскопии, в пьезоэлектрических моторах, пьезоэлектрических генераторах и трансформаторах, пироэлектрических датчиках, звукозащитных материалах, в частности безэховых пьезоэлектрических материалах, материалах, имеющих высокую диэлектрическую проницаемость, в частности, для электроники и электротехники, и материалах пьезоэлектрических приводов.The invention finds its application in the field of acoustic transducers, piezoelectric resonators, pressure and / or acceleration sensors, drives, especially direct actuators (drives), capable of generating movement steps from 0.1 to 100 microns, in particular for atomic force microscopy and scanning tunneling microscopy, in piezoelectric motors, piezoelectric generators and transformers, pyroelectric sensors, soundproof materials, in particular anechoic piezoelectric materials, mat Series having a high dielectric constant, in particular for electronics and electrical engineering, and materials of piezoelectric drives.

Уже было предложено включать наполнители из микрометрических или нанометрических частиц ферроэлектрического материала PZT типа (цирконат и титанат свинца), в частности, в форме сферических наночастиц, т.е. наночастиц, у которых соотношение сторон составляет приблизительно 1, в полиэпоксиматрицу с целью формирования пьезоэлектрического композиционного материала (см., например, "Furukawa et al., (1976), Japanese Journal of Applied Physics, 15; 11, 2119-2129"). Такие по существу сферические частицы не позволяют достичь состояния достаточно высокой проводимости в композиционном материале со степенью наполнения, которая является достаточно низкой и подходящей для сохранения механических свойств - механической ударопрочности, гибкости и пластичности - матрицы.It has already been proposed to include fillers of micrometric or nanometric particles of the PZT type ferroelectric material (zirconate and lead titanate), in particular in the form of spherical nanoparticles, i.e. nanoparticles with an aspect ratio of approximately 1 into a polyepoxymatrix to form a piezoelectric composite material (see, for example, "Furukawa et al., (1976), Japanese Journal of Applied Physics, 15; 11, 2119-2129"). Such essentially spherical particles do not allow reaching a state of sufficiently high conductivity in a composite material with a degree of filling that is sufficiently low and suitable for maintaining mechanical properties - mechanical impact resistance, flexibility and ductility - matrix.

Также известно применение пьезоэлектрических частиц PMN-PT (свинец/магний/ниобий-свинец/титан) по существу со сферической морфологией (см., например, "Lam et al., (2005), Composite Science and Technology, 65, 1107-1111") в полимерной матрице в соотношении по объему от 5% до 40%. Такой композит позволяет достигать значения пьезоэлектрического коэффициента от 10 до 30 pC/N, но не позволяет в значительной степени сохранять изначальную пластичность матрицы.The use of PMN-PT piezoelectric particles (lead / magnesium / niobium-lead / titanium) with substantially spherical morphology is also known (see, for example, "Lam et al., (2005), Composite Science and Technology, 65, 1107-1111 ") in a polymer matrix in a volume ratio of 5% to 40%. Such a composite makes it possible to achieve a piezoelectric coefficient of 10 to 30 pC / N, but does not significantly preserve the initial plasticity of the matrix.

Поэтому задача состоит в том, чтобы получить композиционный твердый материал с высоким пьезоэлектрическим эффектом и/или пироэлектрическим эффектом, особенно с пьезоэлектрической и/или пироэлектрической эффективностью, которая больше, чем соответствующая эффективность пьезоэлектрических и/или пироэлектрических композиционных материалов из предшествующего уровня техники, но без существенного ухудшения механических свойств композиционного твердого материала по сравнению с механическими свойствами матрицы, составляющей указанный композиционный твердый материал.Therefore, the task is to obtain a composite solid material with a high piezoelectric effect and / or pyroelectric effect, especially with piezoelectric and / or pyroelectric efficiency, which is greater than the corresponding efficiency of piezoelectric and / or pyroelectric composite materials from the prior art, but without a significant deterioration in the mechanical properties of the composite solid material compared with the mechanical properties of the matrix constituting the specified composite solid material.

Максимальный пьезоэлектрический эффект и/или пироэлектрический эффект фактически получают за счет количества по объему более чем 25%, обычно приблизительно 50%, которое значительно модифицирует механические свойства полученного композиционного материала относительно механических свойств матрицы, образующей указанный композиционный твердый материал.The maximum piezoelectric effect and / or pyroelectric effect is actually obtained due to the amount by volume of more than 25%, usually approximately 50%, which significantly modifies the mechanical properties of the obtained composite material relative to the mechanical properties of the matrix forming the specified composite solid material.

Изобретение нацелено на устранение недостатков, упомянутых выше, путем создания композиционного твердого материала, который, с одной стороны, обладает преимуществами композиционных материалов относительно неорганических ферроэлектрических (керамических) материалов с точки зрения механических свойств (особенно большей легкости с, по меньшей мере, эквивалентной, в частности превосходящей гибкостью, пластичностью и ударопрочностью), но который, с другой стороны, имеет:The invention is aimed at eliminating the disadvantages mentioned above by creating a composite solid material, which, on the one hand, has the advantages of composite materials relative to inorganic ferroelectric (ceramic) materials in terms of mechanical properties (especially greater lightness with at least equivalent particular superior flexibility, ductility and impact resistance), but which, on the other hand, has:

- диэлектрическую проницаемость (ε), которая является насколько возможно низкой, в частности, значительно меньше 20, и- dielectric constant (ε), which is as low as possible, in particular, significantly less than 20, and

- пьезоэлектрический показатель эффективности g33 (d33/ε) более чем 45 мВ·м/Н, где d33 представляет собой пьезоэлектрический коэффициент композиционного материала, и/или- a piezoelectric efficiency indicator g 33 (d 33 / ε) of more than 45 mV · m / N, where d 33 is the piezoelectric coefficient of the composite material, and / or

- пироэлектрический показатель эффективности F (р/ε) более чем 0,7 мкКл/K/м2, где р представляет собой пироэлектрический коэффициент композиционного материала.- pyroelectric efficiency indicator F (p / ε) of more than 0.7 μC / K / m 2 , where p is the pyroelectric coefficient of the composite material.

В изобретении предложен такой пьезоэлектрический и/или пироэлектрический композиционный твердый материал, который имеет пониженную степень наполнения, подходящую для существенного сохранения механических свойств указанного композиционного твердого материала.The invention provides such a piezoelectric and / or pyroelectric composite solid material, which has a reduced degree of filling, suitable for substantially preserving the mechanical properties of the specified composite solid material.

В изобретении также предложен такой композиционный твердый материал пониженной плотности с пьезоэлектрической и/или пироэлектрической эффективностью, которая, по меньшей мере, сохранена и, в частности, увеличена.The invention also proposed such a composite solid material of reduced density with piezoelectric and / or pyroelectric efficiency, which is at least preserved and, in particular, increased.

Изобретение также относится к такому пьезоэлектрическому композиционному твердому материалу, подходящему для обеспечения повышенных эластических деформаций при заданной нагрузке и повышенного пьезоэлектрического ответа на указанную нагрузку.The invention also relates to such a piezoelectric composite solid material suitable for providing increased elastic deformations at a given load and an increased piezoelectric response to said load.

Изобретение также относится к такому композиционному твердому материалу, который сохраняет высокий пьезоэлектрический и/или пироэлектрический ответ, имея долю функционального наполнителя, сниженную по сравнению с композиционными материалами из предшествующего уровня техники.The invention also relates to such a composite solid material that maintains a high piezoelectric and / or pyroelectric response, having a fraction of functional filler reduced compared to composite materials from the prior art.

Изобретение, в частности, относится к композиционному твердому материалу, который, в отличие от органических пьезоэлектрических и/или пироэлектрических материалов, не требует применения интенсивного электрического поля, которое может вызывать диэлектрический пробой указанного органического материала, с целью поляризации указанного органического пьезоэлектрического и/или пироэлектрического материала.The invention, in particular, relates to a composite solid material, which, unlike organic piezoelectric and / or pyroelectric materials, does not require the use of an intense electric field, which can cause a dielectric breakdown of said organic material, in order to polarize said organic piezoelectric and / or pyroelectric material.

Соответственно, в изобретении предложен композиционный твердый материал, имеющий механические свойства, сравнимые с механическими свойствами полимерных материалов той же природы, и в то же время пьезоэлектрический показатель эффективности d33 более чем 45 мВ·м/Н.Accordingly, the invention provides a composite solid material having mechanical properties comparable to the mechanical properties of polymeric materials of the same nature, and at the same time, a piezoelectric efficiency index d 33 of more than 45 mV · m / N.

В изобретении также предложен композиционный твердый материал, имеющий механические свойства, сравнимые с механическими свойствами композиционных изоляционных материалов той же природы, и в то же время пироэлектрический показатель эффективности F более чем 0,7 мкКл/K/м2.The invention also provides a composite solid material having mechanical properties comparable to the mechanical properties of composite insulating materials of the same nature, and at the same time, a pyroelectric efficiency index F of more than 0.7 μC / K / m 2 .

В изобретении также предложен композиционный твердый материал, имеющий гибкость, пластичность и легкость применения, которые являются по существу эквивалентными этим свойствам полимерной матрицы, и в то же время также электроактивные свойства неорганического функционального наполнителя.The invention also provides a composite solid material having flexibility, ductility and ease of use that are substantially equivalent to these properties of the polymer matrix, and at the same time also the electroactive properties of the inorganic functional filler.

В изобретении также предложен такой композиционный твердый материал, имеющий улучшенные свойства рассеяния вибрационной энергии, в частности звуковой энергии, в форме тепла.The invention also provides such a composite solid material having improved dispersion properties of vibrational energy, in particular sound energy, in the form of heat.

Изобретение соответственно относится к композиционному твердому материалу, имеющему свойства пластичности, механической прочности и низкой диэлектрической проницаемости органических полимерных материалов, в то же время имеющему электроактивные свойства неорганических пьезоэлектрических и/или пироэлектрических материалов и особенно низкую интенсивность электрического поля, необходимого для его поляризации.The invention accordingly relates to a composite solid material having the properties of plasticity, mechanical strength and low dielectric constant of organic polymeric materials, at the same time having the electroactive properties of inorganic piezoelectric and / or pyroelectric materials and especially low electric field intensity necessary for its polarization.

Более предпочтительно, в изобретении предложен композиционный твердый материал, имеющий твердую (гомогенную или композиционную) матрицу из электроизоляционного материала, и пьезоэлектрический показатель эффективности d33 более чем 45 мВ·м/Н и/или пироэлектрический показатель эффективности F более чем 0,7 мкКл/K/м2, где конечные механические свойства композиционного твердого материала согласно изобретению составляют по меньшей мере 90% от механических свойств твердой матрицы.More preferably, the invention provides a composite solid material having a solid (homogeneous or composite) matrix of electrical insulation material and a piezoelectric efficiency index d 33 of more than 45 mV · m / N and / or a pyroelectric efficiency indicator F of more than 0.7 μC / K / m 2 , where the final mechanical properties of the composite solid material according to the invention are at least 90% of the mechanical properties of the solid matrix.

В изобретении также предложен композиционный твердый материал, имеющий пьезоэлектрический показатель эффективности d33 более чем 45 мВ·м/Н, но в котором избыточный заряд, ассоциированный с функциональным наполнителем пьезоэлектрических и/или пироэлектрических наночастиц в композиционном твердом материале, по существу не превышает 50%.The invention also provides a composite solid material having a piezoelectric efficiency index d 33 of greater than 45 mV · m / N, but in which the excess charge associated with the functional filler of the piezoelectric and / or pyroelectric nanoparticles in the composite solid material does not substantially exceed 50% .

Изобретение также относится к способу получения такого композиционного твердого материала, который является простым, недорогим и быстрым для осуществления, не требует какого-либо специального оборудования и защищает окружающую среду.The invention also relates to a method for producing such a composite solid material, which is simple, inexpensive and quick to implement, does not require any special equipment and protects the environment.

В изобретении также предложен способ, позволяющий получать детали любой формы, имеющие различные композиции материала.The invention also provides a method for producing parts of any shape having various material compositions.

Таким образом, изобретение относится к пьезоэлектрическому и/или пироэлектрическому композиционному твердому материалу, названному гибридным материалом, содержащему:Thus, the invention relates to a piezoelectric and / or pyroelectric composite solid material called a hybrid material containing:

- твердую диэлектрическую матрицу,- solid dielectric matrix,

- неорганический наполнитель, распределенный в твердой диэлектрической матрице, где указанный неорганический наполнитель состоит из материала, выбранного из группы, состоящей из пьезоэлектрических материалов, пироэлектрических материалов и пьезоэлектрических и пироэлектрических материалов,- inorganic filler distributed in a solid dielectric matrix, where the specified inorganic filler consists of a material selected from the group consisting of piezoelectric materials, pyroelectric materials and piezoelectric and pyroelectric materials,

в котором указанный неорганический наполнитель содержит твердые наночастицы, названные нитевидными наночастицами, имеющие:wherein said inorganic filler comprises solid nanoparticles called filamentous nanoparticles having:

- длину, продолжающуюся в основном направлении удлинения нитевидных наночастиц,- length, continuing in the main direction of elongation of filiform nanoparticles,

- два размера, названные ортогональными размерами, продолжающиеся в двух поперечных направлениях, которые являются взаимно перпендикулярными и ортогональными по отношению к указанному основному направлению удлинения нитевидных наночастиц, где указанные ортогональные размеры меньше указанной длины и меньше 500 нм, иtwo sizes, called orthogonal dimensions, extending in two transverse directions that are mutually perpendicular and orthogonal to the indicated main direction of elongation of the filamentary nanoparticles, where the indicated orthogonal dimensions are less than the specified length and less than 500 nm, and

- два соотношения, названные соотношениями сторон (также называемыми характеристическими соотношениями), между указанной длиной и каждым из двух ортогональных размеров, где указанные соотношения сторон составляют более 10,- two ratios, called aspect ratios (also called characteristic ratios), between the specified length and each of the two orthogonal sizes, where the specified aspect ratios are more than 10,

где указанные нитевидные наночастицы распределены в объеме твердой диэлектрической матрицы в количестве по объему менее 50%, особенно от 0,5% до 50%, предпочтительно от 5% до 20%, в частности приблизительно 12%, и гдеwhere these filamentary nanoparticles are distributed in the volume of the solid dielectric matrix in an amount by volume of less than 50%, especially from 0.5% to 50%, preferably from 5% to 20%, in particular approximately 12%, and where

основные направления удлинения нитевидных наночастиц неорганического наполнителя, распределенного в диэлектрической матрице, имеют по существу изотропное распределение в твердой диэлектрической матрице.the main directions of elongation of filiform nanoparticles of an inorganic filler distributed in a dielectric matrix have a substantially isotropic distribution in a solid dielectric matrix.

В гибридном материале согласно изобретению твердая диэлектрическая матрица может быть предпочтительно образована по меньшей мере из одного материала, выбранного из группы органических материалов, т.е. материалов, состоящих по меньшей мере из одного органического соединения, имеющего по меньшей мере одну ковалентную связь, образованную между атомом углерода и атомом, иным чем углерод (в частности, водород).In the hybrid material of the invention, the solid dielectric matrix may preferably be formed from at least one material selected from the group of organic materials, i.e. materials consisting of at least one organic compound having at least one covalent bond formed between a carbon atom and an atom other than carbon (in particular hydrogen).

В гибридном материале согласно изобретению твердая диэлектрическая матрица предпочтительно образована из синтетического органического полимерного материала.In the hybrid material of the invention, the solid dielectric matrix is preferably formed from a synthetic organic polymer material.

Предпочтительно, твердая диэлектрическая матрица из гибридного материала согласно изобретению содержит материал, выбранный из группы органических материалов, состоящих по меньшей мере из одного органического соединения, содержащего по меньшей мере один атом кремния.Preferably, the solid dielectric matrix of the hybrid material according to the invention comprises a material selected from the group of organic materials consisting of at least one organic compound containing at least one silicon atom.

Предпочтительно, твердая диэлектрическая матрица из гибридного материала согласно изобретению выбрана из группы, состоящей из пьезоэлектрических твердых диэлектрических матриц, пироэлектрических твердых диэлектрических матриц и твердых диэлектрических матриц, которые являются нейтральными с электрической точки зрения.Preferably, the solid dielectric matrix of the hybrid material according to the invention is selected from the group consisting of piezoelectric solid dielectric matrices, pyroelectric solid dielectric matrices and solid dielectric matrices which are electrically neutral.

Предпочтительно и согласно изобретению твердая диэлектрическая матрица из гибридного материала представляет собой непрерывную матрицу, в которой указанные нитевидные наночастицы распределены по всему объему указанной твердой диэлектрической матрицы.Preferably and according to the invention, the solid dielectric matrix of the hybrid material is a continuous matrix in which said whisker nanoparticles are distributed throughout the volume of said solid dielectric matrix.

Предпочтительно, неорганический наполнитель из гибридного материала согласно изобретению образован из неполимерного металлического соединения, не содержащего углерод.Preferably, the inorganic filler of the hybrid material according to the invention is formed from a non-polymer metal compound not containing carbon.

В гибридном материале согласно изобретению соотношение сторон нитевидной наночастицы представляет собой соотношение между длиной указанной нитевидной наночастицы и одним из двух его размеров, ортогональных к указанной длине. В качестве примера, соотношение сторон 100 для нитевидной наночастицы обычной круглой цилиндрической формы означает, что ее длина по существу равна ее 100-кратному среднему диаметру. В любом случае, нитевидная наночастица имеет обычную удлиненную форму, при которой соотношения ее наибольшего размера (ее длины) к каждому из двух ортогональных размеров составляют более чем 10.In the hybrid material according to the invention, the aspect ratio of the filamentous nanoparticle is the ratio between the length of the filamentous nanoparticle and one of its two dimensions orthogonal to the specified length. As an example, an aspect ratio of 100 for a filamentous nanoparticle of a conventional circular cylindrical shape means that its length is substantially equal to its 100-fold average diameter. In any case, the filiform nanoparticle has the usual elongated shape, in which the ratio of its largest size (its length) to each of the two orthogonal sizes is more than 10.

Авторы изобретения наблюдали, что гибридный материал согласно изобретению, в котором неорганический наполнитель образован из нитевидных наночастиц, состоящих из пьезоэлектрического и/или пироэлектрического материала, где указанные нитевидные наночастицы имеют высокое соотношение сторон и распределены в объеме твердой диэлектрической матрицы в количестве по объему менее 50%, обладает повышенной деформацией изгиба нитевидных наночастиц, повышенным разделением заряда пьезоэлектрического и/или пироэлектрического материала, имеющего высокое соотношение сторон, и больший пьезоэлектрический и/или пироэлектрический эффект для одной и той же нагрузки, прикладываемой к указанному гибридному материалу.The inventors observed that the hybrid material according to the invention, in which the inorganic filler is formed from filamentous nanoparticles consisting of a piezoelectric and / or pyroelectric material, where said filamentous nanoparticles have a high aspect ratio and are distributed in the volume of the solid dielectric matrix in an amount by volume of less than 50% has an increased bending strain of filiform nanoparticles, an increased charge separation of the piezoelectric and / or pyroelectric material having Exposure to extreme aspect ratio and a larger piezoelectric and / or pyroelectric effect for the same load applied to said hybrid material.

Предпочтительно, нитевидные наночастицы распределены в объеме твердой диэлектрической матрицы в количестве по объему менее чем 35%, особенно от 1% до 35%, предпочтительно от 5% до 30%.Preferably, the filamentary nanoparticles are distributed in the volume of the solid dielectric matrix in an amount by volume of less than 35%, especially from 1% to 35%, preferably from 5% to 30%.

Более предпочтительно, гибридный материал согласно изобретению предпочтительно характеризуется по меньшей мере одним из следующих признаков:More preferably, the hybrid material of the invention is preferably characterized by at least one of the following features:

два ортогональных размера нитевидных наночастиц составляют от 50 нм до 500 нм, в частности приблизительно 200 нм,two orthogonal sizes of filamentary nanoparticles are from 50 nm to 500 nm, in particular approximately 200 nm,

нитевидные наночастицы имеют два соотношения сторон более чем 10, особенно более чем 100, в частности приблизительно 250,whisker nanoparticles have two aspect ratios of more than 10, especially more than 100, in particular approximately 250,

нитевидные наночастицы имеют длину более 1 мкм, особенно от 2 мкм до 50 мкм, в частности приблизительно 10 мкм,whisker nanoparticles have a length of more than 1 μm, especially from 2 μm to 50 μm, in particular about 10 μm,

- два ортогональных размера нитевидных наночастиц представляют собой диаметр поперечного сечения нитевидных наночастиц,- two orthogonal sizes of filamentary nanoparticles are the cross-sectional diameter of filamentous nanoparticles,

неорганический наполнитель гибридного материала согласно изобретению образован из материала, выбранного из группы, состоящей из неорганической пьезоэлектрической керамики, пироэлектрической керамики и пьезоэлектрической и пироэлектрической керамики,the inorganic filler of the hybrid material according to the invention is formed from a material selected from the group consisting of inorganic piezoelectric ceramics, pyroelectric ceramics and piezoelectric and pyroelectric ceramics,

неорганический наполнитель гибридного материала согласно изобретению образован из материала, выбранного из группы неорганической керамики, особенно керамики типа перовскита, например титаната бария формулы BaTiO3, титанатов цирконата свинца (PZT) формулы PbZrxTi-1-хО3, BaxSr1-xTiO3, CaxSr1-xTiO3, BaTixZr1-хО3, где х представляет собой действительное число, которое может быть равно нулю или равно 1, или от 0 до 1, SrTiO3, BaZrO3, SrZrO3, PbTiO3, KNbO3, LiNbO3, PMN-PT (Pb/Mg/Nb-Pb/Ti), дититаната бария (BaTi2O5) и ниобата (NaNbO3),the inorganic filler of the hybrid material according to the invention is formed from a material selected from the group of inorganic ceramics, especially perovskite-type ceramics, for example barium titanate of the formula BaTiO 3 , lead zirconate titanates (PZT) of the formula PbZr x Ti -1-x O 3 , Ba x Sr 1- x TiO 3 , Ca x Sr 1-x TiO 3 , BaTi x Zr 1-x O 3 , where x is a real number that may be zero or 1, or from 0 to 1, SrTiO 3 , BaZrO 3 , SrZrO 3 , PbTiO 3 , KNbO 3 , LiNbO 3 , PMN-PT (Pb / Mg / Nb-Pb / Ti), barium dithitanate (BaTi 2 O 5 ) and niobate (NaNbO 3 ),

твердая диэлектрическая матрица из гибридного материала содержит по меньшей мере один полимерный материал, выбранный из группы, состоящей из термопластичных полимерных материалов и термореактивных полимерных материалов,a solid dielectric matrix of a hybrid material contains at least one polymer material selected from the group consisting of thermoplastic polymer materials and thermosetting polymer materials,

- твердая диэлектрическая матрица из гибридного материала образована из органического полимерного материала, выбранного из группы, состоящей из пьезоэлектрических материалов, пироэлектрических материалов и пьезоэлектрических и пироэлектрических материалов. Например, органический полимерный материал твердой диэлектрической матрицы выбран из группы, состоящей из PVDF (поливинилиденфторид, русскоязычное сокращение - ПВДФ), PVDF-TrFE (сополимер поливинилиденфторида с трифторэтиленом), фторированных терполимеров (сополимеров, образованных из трех различных мономерных звеньев), нечетных полиамидов, РЕЕК (полиэфирэфиркетон, русскоязычное сокращение - ПЭЭК), четных полиамидов, полиуретанов и силиконов.- a solid dielectric matrix of a hybrid material is formed of an organic polymer material selected from the group consisting of piezoelectric materials, pyroelectric materials and piezoelectric and pyroelectric materials. For example, the organic polymer material of a solid dielectric matrix is selected from the group consisting of PVDF (polyvinylidene fluoride, Russian-language abbreviation - PVDF), PVDF-TrFE (copolymer of polyvinylidene fluoride with trifluoroethylene), fluorinated terpolymers (copolymers formed from three different monomeric units), odd PEEK (polyetheretherketone, Russian-language abbreviation - PEEK), even polyamides, polyurethanes and silicones.

Предпочтительно, гибридный материал имеет низкое значение диэлектрической проницаемости, в частности, менее чем 20, и пьезоэлектрический показатель эффективности g33 более чем 45 мВ·м/Н и/или пироэлектрический показатель эффективности F более чем 0,7 мкКл/K/м2 и конечные механические свойства, которые по существу сохраняются (особенно до степени более чем 90%) по сравнению с твердой диэлектрической матрицей.Preferably, the hybrid material has a low dielectric constant, in particular less than 20, and a piezoelectric efficiency index g 33 of more than 45 mV · m / N and / or a pyroelectric efficiency index F of more than 0.7 μC / K / m 2 and final mechanical properties that are essentially retained (especially to a degree of more than 90%) compared to a solid dielectric matrix.

Предпочтительно и согласно изобретению неорганический наполнитель распределен по существу равномерно в твердой диэлектрической матрице. По существу равномерное распределение неорганического наполнителя в твердой диэлектрической матрице означает, что среднее расстояние, разделяющее соседние нитевидные наночастицы, по существу является постоянным по всему объему твердой диэлектрической матрицы.Preferably and according to the invention, the inorganic filler is distributed substantially uniformly in the solid dielectric matrix. The substantially uniform distribution of the inorganic filler in the solid dielectric matrix means that the average distance separating adjacent filamentary nanoparticles is substantially constant throughout the volume of the solid dielectric matrix.

Предпочтительно и согласно изобретению нитевидные наночастицы выбраны из группы, состоящей из нанопроволок, наностержней и нанотрубок.Preferably, and according to the invention, the filamentary nanoparticles are selected from the group consisting of nanowires, nanorods and nanotubes.

В первом варианте гибридного материала согласно изобретению нитевидная наночастица в пределах объема изобретения представляет собой наностержень или нанопроволоку. В этом первом варианте два ортогональных размера нитевидной наночастицы представляют собой диаметр его поперечного сечения. Нитевидная наночастица может представлять собой также ленту, где два ортогональных размера нитевидной наночастицы согласно изобретению представляют собой ее ширину (первый ортогональный размер) и ее толщину (второй ортогональный размер).In a first embodiment of the hybrid material of the invention, the whisker nanoparticle within the scope of the invention is a nanorod or nanowire. In this first embodiment, the two orthogonal sizes of the whisker nanoparticles are the diameter of its cross section. The filamentous nanoparticle can also be a tape, where the two orthogonal sizes of the filamentous nanoparticles according to the invention are its width (first orthogonal size) and its thickness (second orthogonal size).

Во втором варианте гибридного материала согласно изобретению нитевидные наночастицы в пределах объема изобретения также могут представлять собой нанотрубки, образованные из полого цилиндра, имеющего толщину стенок менее чем 100 нм.In a second embodiment of the hybrid material according to the invention, the filamentary nanoparticles within the scope of the invention can also be nanotubes formed from a hollow cylinder having a wall thickness of less than 100 nm.

Предпочтительно и согласно изобретению, когда нитевидные наночастицы представляют собой нанотрубки, нитевидные наночастицы имеют толщину стенки, образующей указанную нанотрубку, по существу менее чем 100 нм.Preferably, according to the invention, when the whisker nanoparticles are nanotubes, the whisker nanoparticles have a wall thickness forming said nanotube of substantially less than 100 nm.

Предпочтительно и согласно изобретению основные направления удлинения нитевидных наночастиц неорганического наполнителя, распределенного в диэлектрической матрице, имеют по существу изотропное распределение в твердой диэлектрической матрице. Под по существу изотропным распределением основных направлений удлинения нитевидных наночастиц в твердой диэлектрической матрице понимают, что основные направления удлинения нитевидных наночастиц, в среднем, не имеют предпочтительной ориентации в твердой диэлектрической матрице, а вместо этого распространяются в равной мере во всех направлениях.Preferably and according to the invention, the main directions of elongation of filiform nanoparticles of an inorganic filler distributed in a dielectric matrix have a substantially isotropic distribution in a solid dielectric matrix. By a substantially isotropic distribution of the main directions of elongation of the whisker nanoparticles in a solid dielectric matrix, it is understood that the main directions of elongation of whisker nanoparticles, on average, do not have a preferred orientation in the solid dielectric matrix, but instead extend equally in all directions.

Предпочтительно, нитевидные наночастицы, распределенные в диэлектрической матрице, имеют по существу гомогенное распределение в твердой диэлектрической матрице.Preferably, the filamentary nanoparticles distributed in the dielectric matrix have a substantially homogeneous distribution in the solid dielectric matrix.

В дополнение к этому, авторы изобретения также обнаружили, что такой гибридный материал, в котором наночастицы, имеющие высокое соотношение сторон, распределены изотропным и гомогенным образом в твердой диэлектрической матрице в соотношении по объему менее 50%, обеспечивает деформируемость указанных наночастиц и связность между указанными наночастицами, которые являются достаточными для получения требуемых пьезоэлектрических и/или пироэлектрических эффектов. В частности, авторы изобретения наблюдали, что такая доля по объему нитевидных наночастиц обеспечивает достаточную связность между нитевидными наночастицами для обеспечения проводимости путем взаимодействия между нитевидными наночастицами с небольшой долей указанных нитевидных наночастиц.In addition to this, the inventors also found that such a hybrid material in which nanoparticles having a high aspect ratio are distributed isotropically and homogeneously in a solid dielectric matrix in a volume ratio of less than 50% ensures the deformability of said nanoparticles and the coherence between said nanoparticles which are sufficient to obtain the desired piezoelectric and / or pyroelectric effects. In particular, the inventors have observed that such a volume fraction of whisker nanoparticles provides sufficient connectivity between whisker nanoparticles to provide conduction by interaction between whisker nanoparticles with a small fraction of said whisker nanoparticles.

Предпочтительно и согласно изобретению гибридный материал дополнительно содержит наполнитель, названный проводящим наполнителем, электропроводящего материала, содержащий проводящие нанопроволоки, имеющие:Preferably and according to the invention, the hybrid material further comprises a filler called a conductive filler, an electrically conductive material containing conductive nanowires, having:

- длину, продолжающуюся в основном направлении удлинения проводящих нанопроволок,- a length extending in the main direction of elongation of the conductive nanowires,

- два размера, названные ортогональными размерами, продолжающиеся в двух поперечных направлениях, которые являются взаимно перпендикулярными и ортогональными по отношению к указанному основному направлению удлинения проводящих нанопроволок, где указанные ортогональные размеры меньше указанной длины и меньше 500 нм, иtwo sizes, called orthogonal dimensions, extending in two transverse directions that are mutually perpendicular and orthogonal to the indicated main direction of elongation of the conductive nanowires, where said orthogonal dimensions are less than the specified length and less than 500 nm, and

- два соотношения, названные соотношениями сторон, между указанной длиной и каждым из двух ортогональных размеров проводящих нанопроволок, где указанные соотношения сторон составляют более чем 50,- two ratios, called aspect ratios, between the specified length and each of the two orthogonal dimensions of the conductive nanowires, where the specified aspect ratios are more than 50,

в котором указанные проводящие нанопроволоки распределены в объеме твердой диэлектрической матрицы в количестве по объему менее чем 1%, в частности по существу приблизительно 0,5%.wherein said conductive nanowires are distributed in a volume of a solid dielectric matrix in an amount by volume of less than 1%, in particular substantially approximately 0.5%.

В варианте, предпочтительно и согласно изобретению, такой пьезоэлектрический и/или пироэлектрический гибридный материал согласно изобретению характеризуется по меньшей мере одним из следующих признаков:In an embodiment, preferably according to the invention, such a piezoelectric and / or pyroelectric hybrid material according to the invention is characterized by at least one of the following features:

- два ортогональных размера проводящих нанопроволок составляют от 50 нм до 300 нм, в частности, приблизительно 200 нм,- two orthogonal sizes of conductive nanowires are from 50 nm to 300 nm, in particular approximately 200 nm,

- проводящие нанопроволоки имеют длину более 1 мкм, особенно от 30 мкм до 300 мкм, в частности приблизительно 50 мкм,- conductive nanowires have a length of more than 1 μm, especially from 30 μm to 300 μm, in particular approximately 50 μm,

- два ортогональных размера проводящих нанопроволок представляют собой диаметр поперечного сечения проводящих нанопроволок,- two orthogonal dimensions of the conductive nanowires represent the cross-sectional diameter of the conductive nanowires,

- проводящие нанопроволоки имеют два соотношения сторон более чем 50, в частности приблизительно 250,- conductive nanowires have two aspect ratios of more than 50, in particular approximately 250,

- проводящие нанопроволоки выбраны из группы, состоящей из наностержней и нанотрубок, особенно углеродных нанотрубок,- conductive nanowires selected from the group consisting of nanorods and nanotubes, especially carbon nanotubes,

- проводящие нанопроволоки образованы из материала, выбранного из группы, состоящей из золота, серебра, никеля, кобальта, меди и их сплавов в неокисленном состоянии,- conductive nanowires are formed from a material selected from the group consisting of gold, silver, nickel, cobalt, copper and their alloys in an unoxidized state,

- проводящие нанопроволоки образованы из неокисленного металлического материала,- conductive nanowires are formed from non-oxidized metal material,

- он содержит проводящие нанопроволоки в количестве от 0,1% до 1% по объему.- it contains conductive nanowires in an amount of from 0.1% to 1% by volume.

Предпочтительно количество проводящих нанопроволок в гибридном материале скорректировано так, чтобы в контексте фракции по объему оно было ниже порога электрической перколяции в используемом твердом диэлектрическом материале.Preferably, the number of conductive nanowires in the hybrid material is adjusted so that, in the context of the volume fraction, it is below the threshold of electrical percolation in the solid dielectric material used.

Предпочтительно и согласно изобретению используют проводящие нанопроволоки, два соотношения сторон которых составляют более чем 50, в частности от 50 до 5000, более предпочтительно от 100 до 1000, особенно и предпочтительно приблизительно 250.Preferably and according to the invention, conductive nanowires are used, the two aspect ratios of which are more than 50, in particular from 50 to 5000, more preferably from 100 to 1000, especially and preferably about 250.

Предпочтительно и согласно изобретению доля по массе проводящих нанопроволок относительно твердой диэлектрической матрицы составляет более чем 0,014%.Preferably and according to the invention, the mass fraction of the conductive nanowires relative to the solid dielectric matrix is more than 0.014%.

Изобретение распространяется на способ получения гибридного материала согласно изобретению.The invention extends to a method for producing a hybrid material according to the invention.

Изобретение также относится к способу получения композиционного твердого материала, названного гибридным материалом, при котором получают дисперсию неорганического наполнителя, содержащего нитевидные наночастицы, образованные из неорганического материала, выбранного из группы, состоящей из пьезоэлектрических материалов, пироэлектрических материалов и пьезоэлектрических и пироэлектрических материалов и возможно проводящих нанопроволок, где указанные нитевидные наночастицы имеют:The invention also relates to a method for producing a composite solid material called a hybrid material, in which a dispersion of an inorganic filler containing filamentous nanoparticles formed from an inorganic material selected from the group consisting of piezoelectric materials, pyroelectric materials and piezoelectric and pyroelectric materials and possibly conductive nanowires is obtained where these filamentary nanoparticles have:

длину, продолжающуюся в основном направлении удлинения нитевидных наночастиц,a length extending in the main direction of elongation of filiform nanoparticles,

- два размера, названные ортогональными размерами, продолжающиеся в двух поперечных направлениях, которые являются взаимно перпендикулярными и ортогональными по отношению к указанному основному направлению удлинения нитевидных наночастиц, где указанные ортогональные размеры меньше указанной длины и меньше 500 нм, иtwo sizes, called orthogonal dimensions, extending in two transverse directions that are mutually perpendicular and orthogonal to the indicated main direction of elongation of the filamentary nanoparticles, where the indicated orthogonal dimensions are less than the specified length and less than 500 nm, and

- два соотношения, названные соотношениями сторон, между длиной и каждым из двух ортогональных размеров, где указанные соотношения сторон составляют более чем 10,- two ratios, called aspect ratios, between the length and each of the two orthogonal sizes, where the specified aspect ratios are more than 10,

в жидкой композиции предшественника твердого диэлектрического материала так, чтобы получить количество по объему нитевидных наночастиц в указанном гибридном материале менее 50%, и так, чтобы основные направления удлинения нитевидных наночастиц неорганического наполнителя, распределенного в диэлектрической матрице, имели по существу изотропное распределение в твердой диэлектрической матрице.in the liquid composition of the precursor of solid dielectric material so as to obtain an amount by volume of whisker nanoparticles in said hybrid material of less than 50%, and so that the main directions of elongation of whisker nanoparticles of the inorganic filler distributed in the dielectric matrix have a substantially isotropic distribution in the solid dielectric matrix .

Предпочтительно и согласно изобретению:Preferably and according to the invention:

дисперсию нитевидных наночастиц и возможно проводящих нанопроволок получают в жидкой среде-растворителе,a dispersion of whisker nanoparticles and possibly conductive nanowires is obtained in a liquid solvent medium,

дисперсию смешивают в жидкую композицию предшественника,the dispersion is mixed into a liquid precursor composition,

жидкий растворитель удаляют, иthe liquid solvent is removed and

гибридный материал помещают в электрическое поле, подходящее для обеспечения поляризации нитевидных наночастиц и их превращения в пьезоэлектрические и/или пироэлектрические нитевидные наночастицы.the hybrid material is placed in an electric field suitable for polarizing whisker nanoparticles and converting them into piezoelectric and / or pyroelectric whisker nanoparticles.

Стадию поляризации нитевидных наночастиц из гибридного материала осуществляют способами, которые известны per se специалисту в данной области и являются подходящими для обеспечения превращения нитевидных наночастиц в нитевидные наночастицы, имеющие в макроскопическом масштабе пьезоэлектрические и/или пироэлектрические свойства.The polarization step of filamentous nanoparticles from a hybrid material is carried out by methods that are known per se to a person skilled in the art and are suitable for ensuring the conversion of filamentous nanoparticles into filamentous nanoparticles having, on a macroscopic scale, piezoelectric and / or pyroelectric properties.

Предпочтительно и согласно изобретению, когда твердая диэлектрическая матрица содержит по меньшей мере один полимерный материал, тогда жидкая композиция предшественника представляет собой раствор указанного полимерного материала в жидком растворителе, выбранном из растворителя дисперсии нитевидных наночастиц, и возможно проводящих нанопроволок, и растворителей, которые смешиваются с растворителем дисперсии нитевидных наночастиц. Предпочтительно, жидкая композиция предшественника представляет собой разбавленный раствор указанного полимерного материала в жидком растворителе.Preferably according to the invention, when the solid dielectric matrix contains at least one polymer material, then the liquid precursor composition is a solution of the specified polymer material in a liquid solvent selected from a dispersion solvent of filamentous nanoparticles, and possibly conductive nanowires, and solvents that are mixed with the solvent a dispersion of filamentous nanoparticles. Preferably, the liquid precursor composition is a dilute solution of said polymeric material in a liquid solvent.

Предпочтительно и согласно изобретению, когда твердая диэлектрическая матрица содержит по меньшей мере один термопластичный материал, тогда жидкая композиция предшественника образуется из твердой диэлектрической матрицы в расплавленном состоянии. Предпочтительно, жидкая композиция предшественника представляет собой конденсированный раствор указанного полимерного материала.Preferably according to the invention, when the solid dielectric matrix contains at least one thermoplastic material, then the liquid precursor composition is formed from the solid dielectric matrix in the molten state. Preferably, the liquid precursor composition is a condensed solution of said polymeric material.

Предпочтительно, дисперсию указанного неорганического наполнителя, содержащую нитевидные наночастицы в указанной жидкой композиции предшественника твердой диэлектрической матрицы, получают любыми способами, известными per se специалисту в данной области, особенно путем экструзии в двухшнековых смесителях.Preferably, a dispersion of said inorganic filler containing whisker nanoparticles in said liquid solid dielectric matrix precursor composition is prepared by any means known per se to one skilled in the art, especially by extrusion in twin screw mixers.

Предпочтительно и согласно изобретению, когда твердая диэлектрическая матрица содержит по меньшей мере один термореактивный материал, тогда жидкая композиция предшественника образуется по меньшей мере из одной жидкой композиции, включенной в композицию термореактивного материала.Preferably according to the invention, when the solid dielectric matrix contains at least one thermoset material, then the liquid precursor composition is formed from at least one liquid composition included in the thermoset material composition.

Предпочтительно, дисперсию нитевидных наночастиц и возможно проводящих нанопроволок получают в жидком растворителе, указанную дисперсию смешивают в жидкую композицию предшественника, и жидкий растворитель удаляют. Указанный жидкий растворитель предпочтительно выбран из растворителей, которые не способны окислять проводящие нанопроволоки или которые способны окислять их только частично и ограниченным образом.Preferably, the dispersion of filamentous nanoparticles and optionally conductive nanowires is obtained in a liquid solvent, said dispersion is mixed into a liquid precursor composition, and the liquid solvent is removed. Said liquid solvent is preferably selected from solvents which are not capable of oxidizing conductive nanowires or which are capable of oxidizing them only partially and in a limited manner.

Кроме того, предпочтительно и согласно изобретению, когда твердая диэлектрическая матрица содержит по меньшей мере один полимерный материал, тогда жидкая композиция предшественника представляет собой раствор указанного полимерного материала в жидком растворителе, выбранном из растворителя дисперсии нитевидных наночастиц, растворителей, которые смешиваются с растворителем дисперсии нитевидных наночастиц. Дисперсия нитевидных наночастиц может предпочтительно быть включена в указанную жидкую композицию предшественника во время стадии получения твердой диэлектрической матрицы.In addition, it is preferable and according to the invention, when the solid dielectric matrix contains at least one polymer material, then the liquid precursor composition is a solution of the specified polymer material in a liquid solvent selected from a solvent of a dispersion of filamentous nanoparticles, solvents that are mixed with a solvent of a dispersion of filamentous nanoparticles . The dispersion of filamentous nanoparticles can preferably be included in said liquid precursor composition during the step of producing a solid dielectric matrix.

В дополнение к этому, предпочтительно и согласно изобретению дисперсию нитевидных наночастиц в жидкой композиции предшественника подвергают ультразвуковой обработке.In addition, preferably and according to the invention, the dispersion of whisker nanoparticles in a liquid precursor composition is subjected to ultrasonic treatment.

Кроме того, в способе согласно изобретению предпочтительно используют нитевидные наночастицы и возможно проводящие нанопроволоки согласно по меньшей мере одному из признаков, упомянутых выше.Furthermore, filamentous nanoparticles and possibly conductive nanowires are preferably used in the method according to the invention according to at least one of the features mentioned above.

Предпочтительно и согласно изобретению интенсивность электрического поля, приложенного к гибридному материалу, составляет от 1 кВ/мм до 10 кВ/мм.Preferably and according to the invention, the intensity of the electric field applied to the hybrid material is from 1 kV / mm to 10 kV / mm.

Изобретение также распространяется на применение такого гибридного материала в изготовлении конструкционных деталей и пленок на носителе, полученных осаждением на всей или части поверхности такого носителя.The invention also extends to the use of such a hybrid material in the manufacture of structural parts and films on a carrier obtained by deposition on all or part of the surface of such a carrier.

В частности, такой гибридный материал согласно изобретению используют для обеспечения:In particular, such a hybrid material according to the invention is used to provide:

определения механического напряжения на поверхности указанного гибридного материала посредством прямого пьезоэлектрического эффекта или определения колебания температуры на поверхности указанного гибридного материала посредством прямого пироэлектрического эффекта.determining a mechanical stress on the surface of said hybrid material by means of a direct piezoelectric effect; or determining a temperature fluctuation on a surface of said hybrid material by means of a direct pyroelectric effect.

В варианте согласно изобретению такой гибридный материал используют в применениях, относящихся, например, к датчику/конвертеру энергии для создания статической или динамической механической волны посредством обратного пьезоэлектрического эффекта в применениях, относящихся к:In an embodiment according to the invention, such a hybrid material is used in applications related, for example, to an energy sensor / converter for generating a static or dynamic mechanical wave by means of an inverse piezoelectric effect in applications related to:

- гибкому аудиоустройству, и/илиflexible audio device and / or

- механическому приводу, и/или- mechanical drive, and / or

- антиобледенительному устройству, и/или- an anti-icing device, and / or

- механическому необрастающему устройству.- mechanical antifouling device.

В другом варианте согласно изобретению такой гибридный материал используют в применениях, относящихся к звукоизоляционному материалу, в частности безэховому материалу, подходящему для обеспечения поглощения акустической вибрационной волны и рассеяния энергии указанной вибрационной волны посредством эффекта Джоуля, в локальном масштабе, через проводящие нанопроволоки.In another embodiment according to the invention, such a hybrid material is used in applications related to soundproofing material, in particular anechoic material suitable for absorbing the acoustic vibrational wave and dissipating the energy of said vibrational wave through the Joule effect, on a local scale, through conductive nanowires.

Изобретение также относится к композиционному материалу, к способу получения такого композиционного материала и к применению такого пьезоэлектрического и/или пироэлектрического композиционного твердого материала, которые охарактеризованы в комбинации всеми или некоторыми из признаков, упомянутых в данной работе выше или в данной работе ниже.The invention also relates to a composite material, to a method for producing such a composite material, and to the use of such a piezoelectric and / or pyroelectric composite solid material, which are characterized in combination by all or some of the features mentioned above or in this work below.

Другие объекты, признаки и преимущества изобретения станут очевидными после прочтения следующего описания, которое относится к примерам, которые не предназначены для ограничения изобретения, и к сопровождающим их графическим материалам, где:Other objects, features and advantages of the invention will become apparent after reading the following description, which relates to examples that are not intended to limit the invention, and to the accompanying graphic materials, where:

на Фиг.1 представлена описательная обзорная диаграмма способа получения пьезоэлектрического и/или пироэлектрического гибридного материала согласно изобретению,figure 1 presents a descriptive overview diagram of a method for producing a piezoelectric and / or pyroelectric hybrid material according to the invention,

на Фиг.2 представлено схематическое изображение в поперечном сечении пьезоэлектрического и/или пироэлектрического гибридного материала согласно изобретению,figure 2 presents a schematic cross-sectional view of a piezoelectric and / or pyroelectric hybrid material according to the invention,

на Фиг.3 представлено схематическое изображение в поперечном сечении варианта пьезоэлектрического и/или пироэлектрического гибридного материала согласно изобретению.3 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a piezoelectric and / or pyroelectric hybrid material according to the invention.

В способе согласно изобретению, показанном на Фиг.1, используют нитевидные наночастицы 1, т.е. наночастицы, имеющие высокое соотношение сторон, образованные из пьезоэлектрического, и/или пироэлектрического, и/или ферроэлектрического твердого материала. Такой материал получают способом, известным per se специалисту в данной области, особенно парофазным осаждением или химическим способом в присутствии координационных лигандов, как описано, например, в "Urban et al., (2001), Journal of the American Chemical Society, 124 (7), 1186-1187". В частности, такой способ получения пьезоэлектрических, пироэлектрических нитевидных наночастиц способом электроосаждения в каналах пористой мембраны описан в Примере 1 ниже.In the method according to the invention shown in FIG. 1, whisker nanoparticles 1, i.e. nanoparticles having a high aspect ratio formed from piezoelectric and / or pyroelectric and / or ferroelectric solid material. Such material is obtained by a method known per se to a person skilled in the art, especially by vapor deposition or by chemical means in the presence of coordination ligands, as described, for example, in Urban et al., (2001) Journal of the American Chemical Society 124 (7 ), 1186-1187 ". In particular, such a method for producing piezoelectric, pyroelectric filiform nanoparticles by the method of electrodeposition in the channels of a porous membrane is described in Example 1 below.

Получают дисперсию 3 пьезоэлектрических и/или пироэлектрических нитевидных наночастиц 1 в жидком растворе 2 предшественника твердой диэлектрической матрицы 11. Дисперсию 3 получают способом, известным per se специалисту в данной области, в частности посредством механического перемешивания или посредством ультразвуковой обработки. В частности, способы диспергирования подходят для образования изотропного распределения нитевидных наночастиц 1 в жидком растворе 2 предшественника твердой диэлектрической матрицы 11 и в твердой диэлектрической матрице 11. Жидкий раствор 2 предшественника твердой диэлектрической матрицы 11 может представлять собой раствор термопластичного полимера в среде-растворителе указанного полимера.A dispersion of 3 piezoelectric and / or pyroelectric filamentous nanoparticles 1 in a liquid solution 2 of the precursor of a solid dielectric matrix 11 is obtained. Dispersion 3 is obtained by a method known per se to a person skilled in the art, in particular by mechanical stirring or by ultrasonic treatment. In particular, dispersion methods are suitable for forming an isotropic distribution of whisker nanoparticles 1 in a liquid solution 2 of a precursor of a solid dielectric matrix 11 and in a solid dielectric matrix 11. The liquid solution 2 of the precursor of a solid dielectric matrix 11 may be a solution of a thermoplastic polymer in a solvent medium of said polymer.

Гибридный материал согласно изобретению образуется путем выпаривания 4 из жидкой среды-растворителя при температуре, которая больше температуры парообразования указанной жидкой среды-растворителя. Получают гибридный материал, образованный из нитевидных наночастиц 1, диспергированных гомогенным и изотропным путем в твердой диэлектрической матрице 11.The hybrid material according to the invention is formed by evaporation of 4 from a liquid solvent medium at a temperature which is higher than the vaporization temperature of said liquid solvent medium. A hybrid material is obtained formed from filiform nanoparticles 1 dispersed in a homogeneous and isotropic manner in a solid dielectric matrix 11.

Затем осуществляют стадию 5 образования указанного гибридного материала, главным образом посредством термоформования полученного термопластичного материала, подходящего для обеспечения образования листа указанного гибридного материала, пленки небольшой толщины из указанного гибридного материала или альтернативно слоя указанного гибридного материала, образующего поверхность носителя 14. Наружная поверхность носителя 14 может быть любой формы, но в примере осуществления, показанном на Фиг.2 и на Фиг.3, наружная поверхность носителя 14 является плоской.Then, the step 5 of forming said hybrid material is carried out, mainly by thermoforming the obtained thermoplastic material suitable for providing a sheet of said hybrid material, a film of small thickness from said hybrid material, or alternatively a layer of said hybrid material forming the surface of the carrier 14. The outer surface of the carrier 14 may be of any shape, but in the embodiment shown in FIG. 2 and FIG. 3, the outer surface of the carrier 14 i It wishes to set up a flat.

Гибридный материал затем оснащают приложением 6 с двумя электропроводящими пластинами 10, 13, образующими два электрода в контакте с двумя основными сторонами из гибридного материала, и разность (электрических) потенциалов, подходящую для обеспечения поляризации 7 композиционного твердого материала, прикладывают между двумя электродами. Два электрода 10, 13 также подходят для обеспечения переноса электрической энергии из композиционного твердого материала для прямого пьезоэлектрического эффекта или прямого пироэлектрического эффекта. Два электрода 10, 13 также подходят для переноса электрической энергии к гибридному материалу для обратного пьезоэлектрического эффекта.The hybrid material is then equipped with Appendix 6 with two electrically conductive plates 10, 13 forming two electrodes in contact with the two main sides of the hybrid material, and a potential difference (electrical) suitable to ensure polarization 7 of the composite solid material is applied between the two electrodes. Two electrodes 10, 13 are also suitable for transferring electrical energy from a composite solid material for a direct piezoelectric effect or direct pyroelectric effect. Two electrodes 10, 13 are also suitable for transferring electrical energy to a hybrid material for the inverse piezoelectric effect.

В варианте, который не показан, также возможно, что жидкий раствор 2 предшественника твердой диэлектрической матрицы 11 состоит только из одного из компонентов, необходимых для полимеризации термореактивной твердой диэлектрической матрицы 11. В этом случае образование твердой диэлектрической матрицы 11 получают путем последующего добавления других компонентов, необходимых для полимеризации термореактивной твердой диэлектрической матрицы 11 перед стадией 5 образования указанного гибридного материала. Гибридный материал согласно изобретению, показанный на Фиг.2, содержит пьезоэлектрические и/или пироэлектрические нитевидные наночастицы 12 титаната бария, имеющие высокое соотношение сторон, которые распределены гомогенным и изотропным путем в термореактивной твердой диэлектрической матрице 11. Нитевидные наночастицы 12 титаната бария имеют среднюю длину по существу приблизительно 10 мкм, средний диаметр по существу приблизительно 200 нм и соотношение сторон приблизительно 50.In an embodiment that is not shown, it is also possible that the liquid solution 2 of the precursor of the solid dielectric matrix 11 consists of only one of the components necessary for the polymerization of the thermosetting solid dielectric matrix 11. In this case, the formation of the solid dielectric matrix 11 is obtained by the subsequent addition of other components, necessary for the polymerization of a thermosetting solid dielectric matrix 11 before stage 5 of the formation of the specified hybrid material. The hybrid material according to the invention shown in FIG. 2 contains piezoelectric and / or pyroelectric whisker barium titanate nanoparticles 12 having a high aspect ratio that are distributed homogeneous and isotropically in a thermosetting solid dielectric matrix 11. The barium titanate whisker nanoparticles 12 have an average length over essentially about 10 microns, an average diameter of essentially about 200 nm and an aspect ratio of about 50.

При использовании гибридного материала согласно изобретению для прямых или обратных пьезоэлектрических применений и для прямых пироэлектрических применений гибридный материал образует электрический контакт с гибким полимерным субстратом 14, который предварительно был покрыт проводящим электродом 13. Пьезоэлектрический и/или пироэлектрический гибридный материал дополнительно может быть использован в форме пластыря, который подлежит фиксации на указанном полимерном субстрате 14.When using the hybrid material according to the invention for direct or reverse piezoelectric applications and for direct pyroelectric applications, the hybrid material forms electrical contact with a flexible polymer substrate 14, which was previously coated with a conductive electrode 13. The piezoelectric and / or pyroelectric hybrid material can additionally be used in the form of a patch , which is subject to fixation on the specified polymer substrate 14.

Гибридный материал согласно изобретению, показанный на Фиг.3, содержит пьезоэлектрические и/или пироэлектрические нитевидные наночастицы 12 титаната бария, имеющие высокое соотношение сторон, и электропроводящие наночастицы 15, распределенные гомогенным и изотропным путем в термореактивной твердой диэлектрической матрице 11. Электропроводящие наночастицы 15 выбраны из проводящих наночастиц, проводящих нанопроволок или углеродных нанотрубок. Фракцию электропроводящих наночастиц 15 подбирают таким образом, что на основе фракции по объему она находится ниже порога электрической перколяции (выше которого электропроводящие наночастицы 15 образуют электропроводящую сплошную среду в диэлектрической матрице 11) в используемой твердой диэлектрической матрице 11. Гибридный материал, полученный из термопластичной матрицы 11, подвергают термоформованию на твердом субстрате. Гибридный материал, полученный из термореактивной матрицы 11, полимеризуют на твердом субстрате, который был предварительно металлизирован на заданной поверхности.The hybrid material according to the invention shown in FIG. 3 comprises piezoelectric and / or pyroelectric barium titanate nanoparticles 12 having a high aspect ratio and electrically conductive nanoparticles 15 distributed homogeneous and isotropically in a thermosetting solid dielectric matrix 11. Electrically conductive nanoparticles 15 are selected from conductive nanoparticles, conductive nanowires or carbon nanotubes. The fraction of electrically conductive nanoparticles 15 is selected so that, based on the fraction by volume, it is below the threshold of electrical percolation (above which electrically conductive nanoparticles 15 form an electrically conductive continuous medium in dielectric matrix 11) in the used solid dielectric matrix 11. Hybrid material obtained from thermoplastic matrix 11 subjected to thermoforming on a solid substrate. The hybrid material obtained from the thermosetting matrix 11 is polymerized on a solid substrate that has been previously metallized on a given surface.

В случае, когда функциональный наполнитель из гибридного материала состоит из пьезоэлектрических и/или пироэлектрических нитевидных наночастиц 12 и электропроводящих наночастиц 15, колебания, приложенные к субстрату, распространяются в пьезоэлектрический гибридный материал. Механические волны превращаются в электрическую энергию посредством пьезоэлектрических нитевидных наночастиц 12, имеющих высокое соотношение сторон, и электрические заряды, генерируемые таким образом, рассеиваются электропроводящими наночастицами 15. Распространение механической волны и колебания субстрата соответственно гасятся путем превращения посредством обратного пьезоэлектрического эффекта наночастиц, имеющих высокое соотношение сторон, в форме титаната бария.In the case where the functional filler of the hybrid material consists of piezoelectric and / or pyroelectric filiform nanoparticles 12 and electrically conductive nanoparticles 15, the vibrations applied to the substrate propagate into the piezoelectric hybrid material. Mechanical waves are converted into electrical energy by means of piezoelectric whisker nanoparticles 12 having a high aspect ratio, and the electric charges generated in this way are scattered by the electrically conductive nanoparticles 15. The propagation of the mechanical wave and substrate vibrations are accordingly suppressed by conversion of the nanoparticles having a high aspect ratio by the inverse piezoelectric effect. , in the form of barium titanate.

ПРИМЕР 1EXAMPLE 1

Получение нанопроволок из титаната бария, имеющих высокое соотношение сторонObtaining nanowires from barium titanate having a high aspect ratio

Нанопроволоки из BaTiO3 синтезируют путем электроосаждения водного раствора титаната бария в порах фильтрационной мембраны из оксида алюминия (РАА, Porous Anodised Alumina, Whatmann, №по кат. 6809-5022 или 6809-5002), имеющей толщину 50 мкм и пористость 200 нм. Раствор титаната бария получают путем растворения 3 г ацетата бария (№ по кат. 255912, Sigma-Aldrich, Lyon, Франция) и 3,3 г изопропилата титана (№ по кат. 377996, Sigma-Aldrich, Lyon, Франция) в 20,16 мл ледяной уксусной кислоты (№ по кат. А9967, Sigma-Aldrich, Lyon, Франция) в присутствии 3,27 мл этиленгликоля (№ по кат. 324558, Sigma-Aldrich, Lyon, Франция) и 2 литров воды. Конечный рН полученного раствора составляет 5. Фильтрационную мембрану помещают в раствор титаната бария так, что одна из основных сторон фильтрационной мембраны находится в плотном контакте с поверхностью алюминиевого листа, который предварительно был покрыт проводящим слоем серебра и который образует катод устройства для электроосаждения. Анод устройства образован проволокой из чистого металла, например золота или платины, которая обращена к противоположной поверхности фильтрационной мембраны и погружена в раствор титаната бария.BaTiO 3 nanowires are synthesized by electrodeposition of an aqueous solution of barium titanate in the pores of an aluminum oxide filtration membrane (PAA, Porous Anodised Alumina, Whatmann, Cat. No. 6809-5022 or 6809-5002), having a thickness of 50 μm and a porosity of 200 nm. A barium titanate solution is prepared by dissolving 3 g of barium acetate (Cat. No. 255912, Sigma-Aldrich, Lyon, France) and 3.3 g of titanium isopropylate (Cat. No. 377996, Sigma-Aldrich, Lyon, France) in 20, 16 ml of glacial acetic acid (Cat. No. A9967, Sigma-Aldrich, Lyon, France) in the presence of 3.27 ml of ethylene glycol (Cat. No. 324558, Sigma-Aldrich, Lyon, France) and 2 liters of water. The final pH of the resulting solution is 5. The filtration membrane is placed in a solution of barium titanate so that one of the main sides of the filtration membrane is in close contact with the surface of the aluminum sheet, which was previously coated with a conductive layer of silver and which forms the cathode of the electrodeposition device. The anode of the device is formed by a wire of pure metal, for example gold or platinum, which faces the opposite surface of the filtration membrane and is immersed in a solution of barium titanate.

Напряжение 5 В прикладывают между катодом и анодом так, чтобы первоначальная интенсивность электрического тока приближалась к 150 мкА. Таким образом, раствор титаната бария осаждается в порах пористой мембраны. После стадии электроосаждения осуществляют стадию термообработки отжигом нанопроволок из титаната бария при температуре приблизительно 600°С в атмосферном воздухе для образования керамических нанопроволок.A voltage of 5 V is applied between the cathode and the anode so that the initial electric current intensity approaches 150 μA. Thus, a solution of barium titanate precipitates in the pores of the porous membrane. After the electrodeposition step, a heat treatment step is carried out by annealing the barium titanate nanowires at a temperature of about 600 ° C. in atmospheric air to form ceramic nanowires.

Пористую мембрану растворяют путем обработки в водном растворе гидроксида натрия в концентрации 48 г/литр. После 15-минутной обработки керамические нанопроволоки из титаната бария, имеющие высокое соотношение сторон, высвобождаются в щелочном растворе. Нанопроволоки отделяют от щелочного раствора, промывают и хранят в органическом растворителе, например N,N-диметилацетамиде (CH3-CO-N(CH2)2, №по кат.D5511, Sigma-Aldrich, Lyon, Франция). Керамические нанопроволоки из титаната бария имеют средний диаметр приблизительно 200 нм и среднюю длину приблизительно 50 мкм для соотношения длины-к-диаметру (соотношение сторон), в значительной степени приближенного к 250.The porous membrane is dissolved by treatment in an aqueous solution of sodium hydroxide at a concentration of 48 g / liter. After a 15-minute treatment, ceramic barium titanate nanowires having a high aspect ratio are released in an alkaline solution. The nanowires are separated from the alkaline solution, washed and stored in an organic solvent, for example N, N-dimethylacetamide (CH 3 -CO-N (CH 2 ) 2 , Cat. No. D5511, Sigma-Aldrich, Lyon, France). Ceramic barium titanate nanowires have an average diameter of approximately 200 nm and an average length of approximately 50 μm for a length-to-diameter ratio (aspect ratio) substantially close to 250.

ПРИМЕР 2EXAMPLE 2

Получение нанотрубок из титаната бария, имеющих высокое соотношение сторонObtaining nanotubes from barium titanate having a high aspect ratio

Раствор BaTiO3 получают, как описано в Примере 1. Раствор BaTiO3 осаждают на одной из основных поверхностей фильтрационной мембраны из оксида алюминия (РАА), имеющей толщину 50 мкм и пористость 200 нм, так чтобы образовывался слой, покрывающий внутреннюю поверхность пор указанной фильтрационной мембраны. Пористую мембрану сушат при температуре 100°С и затем осуществляют стадию термообработки отжигом нанотрубок из BaTiO3 при температуре приблизительно 600°С в атмосферном воздухе. Щелочную обработку пористой мембраны и затем промывку осуществляют, как описано в Примере 1, с целью образования суспензии нанотрубок из BaTiO3 в органическом растворителе, например N,N-диметилацетамиде.A BaTiO 3 solution is prepared as described in Example 1. A BaTiO 3 solution is deposited on one of the main surfaces of an aluminum oxide (PAA) filtration membrane having a thickness of 50 μm and a porosity of 200 nm, so that a layer is formed that covers the inner pore surface of the specified filtration membrane . The porous membrane is dried at a temperature of 100 ° C and then carry out the stage of heat treatment by annealing the nanotubes from BaTiO 3 at a temperature of approximately 600 ° C in atmospheric air. The alkaline treatment of the porous membrane and then washing are carried out as described in Example 1, in order to form a suspension of BaTiO 3 nanotubes in an organic solvent, for example N, N-dimethylacetamide.

ПРИМЕР 3EXAMPLE 3

Получение пьезоэлектрического и/или пироэлектрического композиционного гибридного материала, образованного из нанопроволок из BaTiO3, диспергированных в термопластичной диэлектрической матрице 11 из полиамида 11Obtaining a piezoelectric and / or pyroelectric composite hybrid material formed from BaTiO 3 nanowires dispersed in a thermoplastic dielectric matrix 11 from polyamide 11

250 мг нанопроволок из BaTiO3, имеющих соотношение сторон 25, как описано в Примере 1, диспергируют в 20 мл N,N-диметилацетамида. Дисперсию подвергают дисперсионной обработке в ультразвуковой бане, имеющей частоту по существу приблизительно 20 кГц, для рассеянной мощности приблизительно 500 Вт. С другой стороны, 250 мг полиамида 11 (РА11, Rilsan® полиамид 11, ARKEMA, USA) растворяют в 20 мл N,N-диметилацетамида. Смесь гомогенизируют посредством ультразвуковой обработки. После выпаривания N,N-диметилацетамида и горячего термоформования получают композиционную гибридную пленку, имеющую толщину 150 мкм, в которой нагрузка нитевидных наночастиц из BaTiO3 в матрице из полиамида 11 составляет 12% по объему.250 mg of BaTiO 3 nanowires having an aspect ratio of 25, as described in Example 1, are dispersed in 20 ml of N, N-dimethylacetamide. The dispersion is subjected to dispersion treatment in an ultrasonic bath having a frequency of substantially approximately 20 kHz for a dissipated power of approximately 500 watts. On the other hand, 250 mg of polyamide 11 (PA11, Rilsan® polyamide 11, ARKEMA, USA) was dissolved in 20 ml of N, N-dimethylacetamide. The mixture is homogenized by ultrasonic treatment. After evaporation of N, N-dimethylacetamide and hot thermoforming, a composite hybrid film having a thickness of 150 μm is obtained in which the load of filamentous BaTiO 3 nanoparticles in the matrix of polyamide 11 is 12% by volume.

В одном варианте пленку композиционного гибридного материала осаждают в форме пластыря на поверхности субстрата при температуре окружающей среды, или альтернативно она образуется посредством термообработки на поверхности электропроводящего субстрата.In one embodiment, the film of the composite hybrid material is deposited in the form of a patch on the surface of the substrate at ambient temperature, or alternatively it is formed by heat treatment on the surface of the electrically conductive substrate.

Электрод помещают на каждой из двух основных сторон полученной пленки композиционного гибридного материала, и композиционный гибридный материал подвергают поляризующей обработке путем применения электрического поля, имеющего интенсивность 3 кВ/мм, при температуре 100°С в течение 30 минут.An electrode is placed on each of the two main sides of the obtained film of the composite hybrid material, and the composite hybrid material is subjected to polarization treatment by applying an electric field having an intensity of 3 kV / mm at a temperature of 100 ° C for 30 minutes.

Получают композиционный гибридный материал согласно изобретению, имеющий диэлектрическую проницаемость, приближающуюся к 5, значение пироэлектрического показателя эффективности F более чем 0,7 мкКл/K/м2 и значение пьезоэлектрического показателя эффективности д33 более чем 45 мВ·м/Н, при по существу сохранении механической пластичности матрицы 11 из полиамида.A composite hybrid material according to the invention is obtained having a dielectric constant approaching 5, a pyroelectric efficiency index F of more than 0.7 μC / K / m 2 and a piezoelectric efficiency index d 33 of more than 45 mV · m / N, with substantially maintaining the mechanical ductility of the matrix 11 of polyamide.

Приложение механического напряжения сжатия к поверхности твердого композиционного материала или скручивающего напряжения индуцирует изменение макроскопического диполя композиционного твердого материала. Поэтому такие материалы могут быть использованы в качестве датчиков удара или деформации или в системах превращения механической энергии в электрическую энергию.The application of mechanical compression stress to the surface of a solid composite material or torsional stress induces a change in the macroscopic dipole of the composite solid material. Therefore, such materials can be used as shock or deformation sensors or in systems for converting mechanical energy into electrical energy.

Приложение колебания температуры к поверхности композиционного твердого гибридного материала согласно изобретению индуцирует изменение макроскопического диполя указанного композиционного твердого материала. Поэтому такие материалы предпочтительно могут быть использованы в качестве тепловых датчиков или в системах превращения тепловой энергии в электрическую энергию.The application of temperature fluctuations to the surface of a composite solid hybrid material according to the invention induces a change in the macroscopic dipole of said composite solid material. Therefore, such materials can preferably be used as thermal sensors or in systems for converting thermal energy into electrical energy.

Приложение напряжения, постоянного или переменного, к двум основным сторонам композиционного твердого гибридного материала согласно изобретению индуцирует деформацию указанного материала, генерирующую поверхностное напряжение. Поэтому такие материалы предпочтительно могут быть использованы в качестве датчиков превращения электрической энергии в механическую энергию.Applying a voltage, either constant or alternating, to the two main sides of the composite solid hybrid material according to the invention induces deformation of said material, generating surface tension. Therefore, such materials can preferably be used as sensors for converting electrical energy into mechanical energy.

ПРИМЕР 4EXAMPLE 4

Получение пьезоэлектрического и/или пироэлектрического композиционного твердого гибридного материала, образованного из нанопроволок из BaTiO3 в термореактивной полиуретановой матрицеObtaining a piezoelectric and / or pyroelectric composite solid hybrid material formed from BaTiO 3 nanowires in a thermosetting polyurethane matrix

132 мг керамических нанопроволок (BaTiO3), имеющих соотношение сторон 25, как описано в Примере 1, диспергируют в 100 мг акриловой смолы (Мараего, Pamiers, Франция). Суспензию керамических нанопроволок в акриловой смоле подвергают ультразвуковой обработке при частоте 50 кГц при мощности 500 Вт. В суспензию вводят 32 мг изоцианата (Мараего, Pamiers, Франция). Смесь гомогенизируют ультразвуком. Раствор затем осаждают на электропроводящем субстрате. После полимеризации получают пленку из пьезоэлектрического и пироэлектрического композиционного твердого гибридного материала, имеющую толщину 100 мкм и загрузку при 12% по объему.132 mg of ceramic nanowires (BaTiO 3 ) having an aspect ratio of 25, as described in Example 1, are dispersed in 100 mg of acrylic resin (Maraiego, Pamiers, France). A suspension of ceramic nanowires in acrylic resin is subjected to ultrasonic treatment at a frequency of 50 kHz at a power of 500 watts. 32 mg of isocyanate is introduced into the suspension (Maraiego, Pamiers, France). The mixture is homogenized by ultrasound. The solution is then precipitated on an electrically conductive substrate. After polymerization, a film is made of a piezoelectric and pyroelectric composite solid hybrid material having a thickness of 100 μm and a load at 12% by volume.

Электрод помещают на основной стороне пленки из композиционного твердого гибридного материала, расположенной напротив электропроводящего субстрата, и к указанному гибридному твердому композиционному материалу прикладывают электрическое поле 3 кВ/мм при температуре 100°С в течение 30 минут. Таким образом получают посредством поляризации композиционный твердый гибридный материал, имеющий диэлектрическую проницаемость, приближающуюся к 5, пироэлектрический показатель эффективности F более чем 0,7 мкКл/K/м2 и пьезоэлектрический показатель эффективности д33 более чем 45 мВ·м/Н.The electrode is placed on the main side of the composite solid hybrid film opposite the electrically conductive substrate, and an electric field of 3 kV / mm is applied to said hybrid solid composite material at a temperature of 100 ° C. for 30 minutes. Thus, a composite solid hybrid material having a permittivity approaching 5 is obtained by polarization, a pyroelectric efficiency index F of more than 0.7 μC / K / m 2 and a piezoelectric efficiency index d 33 of more than 45 mV · m / N.

В качестве иллюстративного примера электроактивного материала из предшествующего уровня техники, для сравнения с характеристиками композиционного твердого гибридного материала согласно изобретению, описанного в Примерах 3 и 4, керамика из титаната бария имеет значение пироэлектрического показателя эффективности F0,15 мкКл/K/м2, значение пьезоэлектрического показателя эффективности д33 15 мВ·м/Н. Такая сегнетоэлектрическая керамика из титаната бария имеет высокую механическую хрупкость.As an illustrative example of the electroactive material of the prior art, for comparison with the characteristics of the composite solid hybrid material according to the invention described in Examples 3 and 4, barium titanate ceramic has a pyroelectric efficiency value of F0.15 μC / K / m 2 , a piezoelectric value performance indicator d 33 15 mV · m / N. Such a ferroelectric barium titanate ceramic has high mechanical fragility.

Приложение механического напряжения к поверхности композиционного твердого гибридного материала индуцирует изменение макроскопического диполя композиционного твердого материала. Поэтому такие материалы могут быть использованы в качестве датчиков удара или деформации или в системах превращения механической энергии в электрическую энергию.The application of mechanical stress to the surface of a composite solid hybrid material induces a change in the macroscopic dipole of the composite solid material. Therefore, such materials can be used as shock or deformation sensors or in systems for converting mechanical energy into electrical energy.

Приложение колебания температуры к поверхности композиционного твердого гибридного материала индуцирует изменение макроскопического диполя указанного материала. Поэтому такой материал предпочтительно может быть использован в качестве тепловых датчиков или в системах превращения тепловой энергии в электрическую энергию.The application of temperature fluctuations to the surface of a composite solid hybrid material induces a change in the macroscopic dipole of the specified material. Therefore, such a material can preferably be used as thermal sensors or in systems for converting thermal energy into electrical energy.

ПРИМЕР 5EXAMPLE 5

Получение гибкого акустического устройства из композиционного материала, образованного из пьезоэлектрических нанопроволок, имеющих высокое соотношение сторон, диспергированных в полимерной матрицеObtaining a flexible acoustic device from a composite material formed from piezoelectric nanowires having a high aspect ratio dispersed in a polymer matrix

Гибридный материал согласно изобретению получают в соответствии с Примером 3. Гибридный материал, полученный из термопластичной матрицы полиамида 11, подвергают термоформованию на гибком полимерном субстрате (полиэтилен), имеющем толщину 70 мкм и размер 1 м×1 м.The hybrid material according to the invention is obtained in accordance with Example 3. The hybrid material obtained from the thermoplastic matrix of polyamide 11 is thermoformed on a flexible polymer substrate (polyethylene) having a thickness of 70 μm and a size of 1 m × 1 m

Можно корректировать электрическое сопротивление гибридного материала, приложенное к субстрату, путем изменения толщины слоя указанного материала и площади поверхности, на которую осаждают гибридный материал, так что электрическое сопротивление гибридного материала адаптируется к электрическому сопротивлению генератора напряжения.You can adjust the electrical resistance of the hybrid material applied to the substrate by changing the layer thickness of the specified material and the surface area onto which the hybrid material is deposited, so that the electrical resistance of the hybrid material adapts to the electrical resistance of the voltage generator.

Напряжение 5 В и переменную частоту от 500 Гц до 20 кГц прикладывают к двум основным сторонам композиционного твердого гибридного материала согласно изобретению. Деформация композиционного твердого гибридного материала и субстрата под действием электрического поля индуцирует на поверхности акустического устройства напряжение, которое имеет частоту, равную частоте приложенного поля, и производит слышимый звук.A voltage of 5 V and a variable frequency from 500 Hz to 20 kHz are applied to the two main sides of the composite solid hybrid material according to the invention. Deformation of a composite solid hybrid material and substrate under the influence of an electric field induces a voltage on the surface of the acoustic device that has a frequency equal to the frequency of the applied field and produces an audible sound.

Поскольку пластичность матрицы твердого композиционного материала и полимерного субстрата сохраняется и энергопотребление системы является низким, гибкое акустическое устройство представляет собой альтернативу применению традиционных электромагнитных отражателей.Since the plasticity of the matrix of the solid composite material and the polymer substrate is preserved and the energy consumption of the system is low, a flexible acoustic device is an alternative to the use of traditional electromagnetic reflectors.

ПРИМЕР 6EXAMPLE 6

Получение гибкого акустического устройства из гибридного материала, образованного из пьезоэлектрических нанопроволок, имеющих высокое соотношение сторон, диспергированных в термореактивной полиуретановой матрицеObtaining a flexible acoustic device from a hybrid material formed from piezoelectric nanowires having a high aspect ratio dispersed in a thermosetting polyurethane matrix

Композиционный твердый гибридный материал согласно изобретению получают в соответствии с Примером 4. Композиционный твердый гибридный материал, полученный из термореактивной полиуретановой матрицы, прикладывают с целью его полимеризации к гибкому полиэтиленовому субстрату, имеющему толщину 70 мкм и размер 1 м×1 м, который предварительно был металлизирован на поверхности, к которой прикладывают указанный композиционный твердый гибридный материал. Акустическое устройство согласно изобретению получают в соответствии со способом, описанным в Примере 5.The composite solid hybrid material according to the invention is obtained in accordance with Example 4. A composite solid hybrid material obtained from a thermosetting polyurethane matrix is applied to polymerize it onto a flexible polyethylene substrate having a thickness of 70 μm and a size of 1 m × 1 m that has previously been metallized on the surface to which the specified composite solid hybrid material is applied. An acoustic device according to the invention is obtained in accordance with the method described in Example 5.

ПРИМЕР 7EXAMPLE 7

Получение пьезоэлектрического и/или пироэлектрического композиционного твердого гибридного материала, образованного из нанопроволок из NaNbO3l в термопластичной полиамидной матрицеObtaining a piezoelectric and / or pyroelectric composite solid hybrid material formed from NaNbO 3l nanowires in a thermoplastic polyamide matrix

Нанопроволоки из ниобата натрия NaNbO3 синтезируют путем растворения 1 г пятиокиси ниобия в 60 мл гидроксида натрия в концентрации 10 мМ и обрабатывают полученный раствор в автоклаве, имеющем вместимость 25 мл, при температуре 180°С в течение 8 часов. Получают нитевидные наночастицы (нанопроволоки), имеющие соотношение сторон более чем 30 и нецентрально-симметрическую кристаллическую структуру орторомбического типа.Nanowires of sodium niobate NaNbO 3 was synthesized by dissolving 1 g of niobium pentoxide in 60 ml of sodium hydroxide at a concentration of 10 mM, and the resulting solution was treated in an autoclave having a capacity of 25 ml, at 180 ° C for 8 hours. Get filamentary nanoparticles (nanowires) having an aspect ratio of more than 30 and an off-center-symmetric orthorhombic crystal structure.

100 мг нанопроволок из NaNbO3 смешивают с 20 мл N,N-диметилацетамида. Полученную суспензию подвергают обработке ультразвуком (частота приблизительно 20 кГц) для рассеянной мощности приблизительно 500 Вт. В дополнение к этому, 200 мг полиамида 11 растворяют в 20 мл N,N-диметилацетамида. Раствор, содержащий нанопроволоки из NaNbO3, и раствор полиамида 11 смешивают, и полученную смесь гомогенизируют ультразвуком. N,N-диметилацетамид выпаривают. Стадию горячего термоформования композиционного твердого материала осуществляют с целью образования композиционной пленки, имеющей толщину от 30 мкм до 1 мм. Фракция по объему неорганической фазы в диэлектрической матрице составляет 10%.100 mg of NaNbO 3 nanowires are mixed with 20 ml of N, N-dimethylacetamide. The resulting suspension is sonicated (frequency approximately 20 kHz) for a dissipated power of approximately 500 watts. In addition, 200 mg of polyamide 11 is dissolved in 20 ml of N, N-dimethylacetamide. A solution containing nanowires of NaNbO 3 and a solution of polyamide 11 are mixed, and the resulting mixture is homogenized by ultrasound. N, N-dimethylacetamide was evaporated. The step of hot thermoforming the composite solid material is carried out in order to form a composite film having a thickness of 30 μm to 1 mm. The fraction by volume of the inorganic phase in the dielectric matrix is 10%.

Электропроводящий электрод осаждают на каждой из основных сторон композиционной пленки и прикладывают электрическое поле 10 кВ/мм при температуре 130°С в течение 10 минут. Получают пьезоэлектрическую и/или пироэлектрическую композиционную пленку, имеющую пьезоэлектрические и/или пироэлектрические свойства в температурном диапазоне от -100°С до +180°С.A conductive electrode is deposited on each of the main sides of the composite film and an electric field of 10 kV / mm is applied at a temperature of 130 ° C for 10 minutes. A piezoelectric and / or pyroelectric composite film is obtained having piezoelectric and / or pyroelectric properties in the temperature range from -100 ° C to + 180 ° C.

Claims (21)

1. Пьезоэлектрический и/или пироэлектрический композиционный твердый материал, названный гибридным материалом, содержащий:
- твердую диэлектрическую матрицу (11),
- неорганический наполнитель, распределенный в твердой диэлектрической матрице (11), где неорганический наполнитель состоит из материала, выбранного из группы, состоящей из пьезоэлектрических материалов, пироэлектрических материалов и пьезоэлектрических и пироэлектрических материалов,
в котором неорганический наполнитель содержит твердые наночастицы, названные нитевидными наночастицами (12), имеющие:
- длину, продолжающуюся в основном направлении удлинения нитевидных наночастиц (12),
- два размера, названные ортогональными размерами, продолжающиеся в двух поперечных направлениях, которые являются взаимно перпендикулярными и ортогональными по отношению к основному направлению удлинения нитевидных наночастиц (12), где ортогональные размеры меньше длины и меньше 500 нм, и
- два соотношения, названные соотношениями сторон, между длиной и каждым из двух ортогональных размеров, где соотношения сторон составляют более чем 10,
где
- нитевидные наночастицы (12) распределены в объеме твердой диэлектрической матрицы (11) в количестве по объему менее 50%, и где
- основные направления удлинения нитевидных наночастиц (12) неорганического наполнителя, распределенного в диэлектрической матрице (11), имеют по существу изотропное распределение в твердой диэлектрической матрице (11).
1. A piezoelectric and / or pyroelectric composite solid material called a hybrid material, containing:
- solid dielectric matrix (11),
- an inorganic filler distributed in a solid dielectric matrix (11), where the inorganic filler consists of a material selected from the group consisting of piezoelectric materials, pyroelectric materials and piezoelectric and pyroelectric materials,
in which the inorganic filler contains solid nanoparticles called filamentous nanoparticles (12), having:
- length, continuing in the main direction of elongation of filiform nanoparticles (12),
- two sizes, called orthogonal sizes, continuing in two transverse directions, which are mutually perpendicular and orthogonal to the main direction of elongation of the filamentous nanoparticles (12), where the orthogonal dimensions are less than the length and less than 500 nm, and
- two ratios, called aspect ratios, between the length and each of the two orthogonal dimensions, where the aspect ratios are more than 10,
Where
- whisker nanoparticles (12) are distributed in the volume of the solid dielectric matrix (11) in an amount by volume of less than 50%, and where
- the main directions of elongation of filamentous nanoparticles (12) of the inorganic filler distributed in the dielectric matrix (11) have a substantially isotropic distribution in the solid dielectric matrix (11).
2. Материал по п.1, где неорганический наполнитель распределен по существу равномерно в твердой диэлектрической матрице (11).2. The material according to claim 1, where the inorganic filler is distributed substantially uniformly in the solid dielectric matrix (11). 3. Материал по п.1, где нитевидные наночастицы (12) выбраны из группы, состоящей из нанопроволок, наностержней и нанотрубок.3. The material according to claim 1, where the filamentary nanoparticles (12) are selected from the group consisting of nanowires, nanorods and nanotubes. 4. Материал по п.1, где нитевидные наночастицы (12) имеют длину более 1 мкм.4. The material according to claim 1, where the filamentary nanoparticles (12) have a length of more than 1 μm. 5. Материал по п.1, где неорганический наполнитель образован из материала, выбранного из группы неорганической керамики.5. The material according to claim 1, where the inorganic filler is formed from a material selected from the group of inorganic ceramics. 6. Материал по п.1, где твердая диэлектрическая матрица (11) содержит по меньшей мере один полимерный материал, выбранный из группы, состоящей из термопластичных полимерных материалов и термореактивных полимерных материалов.6. The material according to claim 1, where the solid dielectric matrix (11) contains at least one polymer material selected from the group consisting of thermoplastic polymer materials and thermosetting polymer materials. 7. Материал по п.1, где он дополнительно содержит наполнитель, названный проводящим наполнителем, из электропроводящего материала, содержащего проводящие нанопроволоки (15), имеющие:
- длину, продолжающуюся в основном направлении удлинения проводящих нанопроволок (15),
- два размера, названные ортогональными размерами, продолжающиеся в двух поперечных направлениях, которые являются взаимно перпендикулярными и ортогональными по отношению к основному направлению удлинения проводящих нанопроволок (15), где ортогональные размеры меньше длины и меньше 500 нм, и
- два соотношения, названные соотношениями сторон, между длиной и каждым из двух ортогональных размеров проводящих нанопроволок (15), где соотношения сторон составляют более чем 50,
в котором проводящие нанопроволоки (15) распределены в объеме твердой диэлектрической матрицы (11) в количестве по объему менее чем 1%.
7. The material according to claim 1, where it further comprises a filler, called a conductive filler, from an electrically conductive material containing conductive nanowires (15), having:
- the length, continuing in the main direction of elongation of the conductive nanowires (15),
- two sizes, called orthogonal dimensions, continuing in two transverse directions, which are mutually perpendicular and orthogonal to the main direction of elongation of the conductive nanowires (15), where the orthogonal dimensions are less than the length and less than 500 nm, and
- two ratios, called aspect ratios, between the length and each of the two orthogonal dimensions of the conductive nanowires (15), where the aspect ratios are more than 50,
in which the conductive nanowires (15) are distributed in the volume of the solid dielectric matrix (11) in an amount by volume of less than 1%.
8. Способ получения композиционного твердого материала, названного гибридным материалом, где получают дисперсию неорганического наполнителя, содержащего нитевидные наночастицы (12), образованные из неорганического материала, выбранного из группы, состоящей из пьезоэлектрических материалов, пироэлектрических материалов и пьезоэлектрических и пироэлектрических материалов, где нитевидные наночастицы (12) имеют:
- длину, продолжающуюся в основном направлении удлинения нитевидных наночастиц (12),
- два размера, названные ортогональными размерами, продолжающиеся в двух поперечных направлениях, которые являются взаимно перпендикулярными и ортогональными по отношению к основному направлению удлинения нитевидных наночастиц (12), где ортогональные размеры меньше длины и меньше 500 нм, и
- два соотношения, названные соотношениями сторон, между длиной и каждым из двух ортогональных размеров, где соотношения сторон составляют более чем 10,
в жидкой композиции (2) предшественника твердой диэлектрической матрицы (11) так, чтобы получить количество по объему нитевидных наночастиц (12) в гибридном материале менее 50%, и так, чтобы основные направления удлинения нитевидных наночастиц (12) неорганического наполнителя, распределенного в диэлектрической матрице (11), имели по существу изотропное распределение в твердой диэлектрической матрице (11).
8. A method for producing a composite solid material called a hybrid material, where a dispersion of an inorganic filler containing filamentous nanoparticles (12) is formed from an inorganic material selected from the group consisting of piezoelectric materials, pyroelectric materials and piezoelectric and pyroelectric materials, where filamentous nanoparticles (12) have:
- length, continuing in the main direction of elongation of filiform nanoparticles (12),
- two sizes, called orthogonal sizes, continuing in two transverse directions, which are mutually perpendicular and orthogonal to the main direction of elongation of the filamentous nanoparticles (12), where the orthogonal dimensions are less than the length and less than 500 nm, and
- two ratios, called aspect ratios, between the length and each of the two orthogonal dimensions, where the aspect ratios are more than 10,
in the liquid composition (2) of the precursor of the solid dielectric matrix (11) so as to obtain an amount by volume of filamentous nanoparticles (12) in the hybrid material less than 50%, and so that the main directions of elongation of filamentous nanoparticles (12) of an inorganic filler distributed in the dielectric matrix (11), had a substantially isotropic distribution in the solid dielectric matrix (11).
9. Способ по п.8, где
- дисперсию нитевидных наночастиц (12) получают в жидкой среде-растворителе,
- дисперсию смешивают в жидкую композицию (2) предшественника,
- жидкий растворитель удаляют, и
- гибридный материал помещают в электрическое поле, подходящее для обеспечения поляризации нитевидных наночастиц (12) и их превращения в пьезоэлектрические и/или пироэлектрические нитевидные наночастицы (12).
9. The method of claim 8, where
- a dispersion of filamentous nanoparticles (12) is obtained in a liquid solvent medium,
- the dispersion is mixed into the liquid composition (2) of the precursor,
the liquid solvent is removed, and
- the hybrid material is placed in an electric field suitable for polarizing filamentary nanoparticles (12) and converting them into piezoelectric and / or pyroelectric filamentous nanoparticles (12).
10. Способ по п.8, где когда твердая диэлектрическая матрица (11) содержит по меньшей мере один полимерный материал, тогда жидкая композиция (2) предшественника представляет собой раствор полимерного материала в жидком растворителе, выбранном из растворителя дисперсии нитевидных наночастиц (12) и растворителей, которые смешиваются с растворителем дисперсии нитевидных наночастиц (12).10. The method according to claim 8, where when the solid dielectric matrix (11) contains at least one polymeric material, then the precursor liquid composition (2) is a solution of the polymeric material in a liquid solvent selected from a filament dispersion solvent (12) and solvents that are mixed with a solvent of a dispersion of whisker nanoparticles (12). 11. Способ по п.8, где когда твердая диэлектрическая матрица (11) содержит по меньшей мере один термопластичный материал, тогда жидкая композиция (2) предшественника образуется из твердой диэлектрической матрицы (11) в расплавленном состоянии.11. The method according to claim 8, where when the solid dielectric matrix (11) contains at least one thermoplastic material, then the liquid precursor composition (2) is formed from the solid dielectric matrix (11) in the molten state. 12. Способ по п.8, где когда твердая диэлектрическая матрица (11) содержит по меньшей мере один термореактивный материал, тогда жидкая композиция (2) предшественника образуется по меньшей мере из одной жидкой композиции, включенной в композицию термореактивного материала.12. The method according to claim 8, where when the solid dielectric matrix (11) contains at least one thermosetting material, then the liquid precursor composition (2) is formed from at least one liquid composition included in the thermosetting material composition. 13. Способ по п.8, где дисперсию нитевидных наночастиц (1) в жидкой композиции (2) предшественника подвергают ультразвуковой обработке.13. The method according to claim 8, where the dispersion of the filamentary nanoparticles (1) in the liquid composition (2) of the precursor is subjected to ultrasound treatment. 14. Способ по п.8, где интенсивность электрического поля, приложенного к гибридному материалу, составляет от 1 кВ/мм до 10 кВ/мм.14. The method of claim 8, where the intensity of the electric field applied to the hybrid material is from 1 kV / mm to 10 kV / mm. 15. Применение гибридного материала по любому из пп.1-7 в изготовлении конструкционных деталей и пленок на носителе, полученных осаждением на всей или части поверхности такого носителя.15. The use of the hybrid material according to any one of claims 1 to 7 in the manufacture of structural parts and films on a carrier obtained by deposition on all or part of the surface of such a carrier. 16. Применение по п.15 гибридного материала для определения механических напряжений на поверхности гибридного материала посредством прямого пьезоэлектрического эффекта или для определения температурных колебаний на поверхности гибридного материала посредством прямого пироэлектрического эффекта.16. The use according to claim 15 of a hybrid material for determining mechanical stresses on a surface of a hybrid material by means of a direct piezoelectric effect or for determining temperature fluctuations on a surface of a hybrid material by means of a direct pyroelectric effect. 17. Применение по п.15 гибридного материала, где гибридный материал позволяет создать статическую или динамическую механическую волну посредством обратного пьезоэлектрического эффекта.17. The application of clause 15 of the hybrid material, where the hybrid material allows you to create a static or dynamic mechanical wave through the inverse piezoelectric effect. 18. Применение гибридного материала по п.17 в аудиоустройстве, особенно в гибком аудиоустройстве.18. The use of hybrid material according to 17 in an audio device, especially in a flexible audio device. 19. Применение гибридного материала по п.17 в антиобледенительном устройстве.19. The use of the hybrid material according to 17 in an anti-icing device. 20. Применение гибридного материала по п.17 в механическом необрастающем устройстве.20. The use of a hybrid material according to 17 in a mechanical antifouling device. 21. Применение по п.15 гибридного материала по п.7 в изготовлении звукоизоляционного материала, подходящего для обеспечения поглощения акустической вибрационной волны и рассеяния энергии вибрационной волны посредством эффекта Джоуля. 21. The use according to claim 15 of the hybrid material according to claim 7 in the manufacture of a soundproof material suitable for absorbing an acoustic vibrational wave and scattering the energy of the vibrational wave through the Joule effect.
RU2012127275/28A 2009-12-11 2010-12-03 Piezoelectric and/or pyroelectric composite solid material, method of obtaining thereof and thereof application RU2548604C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR09.05995 2009-12-11
FR0905995A FR2953824B1 (en) 2009-12-11 2009-12-11 PIEZOELECTRIC AND / OR PYROELECTRIC COMPOSITE SOLID MATERIAL, PROCESS FOR OBTAINING AND USE OF SUCH MATERIAL
PCT/FR2010/052609 WO2011070275A1 (en) 2009-12-11 2010-12-03 Piezoelectric and/or pyroelectric composite solid material, method for obtaining same and use of such a material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012127275A RU2012127275A (en) 2014-01-20
RU2548604C2 true RU2548604C2 (en) 2015-04-20

Family

ID=42097340

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012127275/28A RU2548604C2 (en) 2009-12-11 2010-12-03 Piezoelectric and/or pyroelectric composite solid material, method of obtaining thereof and thereof application

Country Status (9)

Country Link
US (1) US8877085B2 (en)
EP (1) EP2510561B1 (en)
JP (1) JP5721738B2 (en)
CN (1) CN102792476B (en)
BR (1) BR112012012579A2 (en)
CA (1) CA2783951C (en)
FR (1) FR2953824B1 (en)
RU (1) RU2548604C2 (en)
WO (1) WO2011070275A1 (en)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5867803B2 (en) * 2011-08-30 2016-02-24 国立大学法人 名古屋工業大学 Piezoelectric material, electronic component, and method for manufacturing piezoelectric material
JP6061374B2 (en) * 2012-08-02 2017-01-18 アルプス電気株式会社 Method for manufacturing piezoelectric element
CN102941924B (en) * 2012-11-20 2016-02-10 南京航空航天大学 A kind of piezoelectric elasticity ripple de-icing method
WO2014160773A1 (en) * 2013-03-26 2014-10-02 Advenira Enterprises, Inc. Anti-icing coating for power transmission lines
DE102013208791B4 (en) 2013-05-14 2022-02-10 Robert Bosch Gmbh Hybrid film for an energy transformer with a method of manufacture
JP6099096B2 (en) * 2013-09-04 2017-03-22 アルプス電気株式会社 Composite piezoelectric element
KR102254942B1 (en) 2014-02-06 2021-05-24 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 카가쿠기쥬츠신코키코 Sheet for pressure sensor, pressure sensor, and method for producing sheet for pressure sensor
KR101636908B1 (en) * 2014-05-30 2016-07-06 삼성전자주식회사 Stretchable thermoelectric material and thermoelectric device including the same
FR3023746B1 (en) * 2014-07-21 2016-07-29 Univ Paul Sabatier - Toulouse Iii PROCESS FOR PREPARING AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE LAMINATED COMPOSITE STRUCTURE
CN105374926B (en) * 2014-08-06 2018-04-06 中国科学院化学研究所 A kind of flexible multi-functional sensor and preparation method and application
US10732053B2 (en) * 2015-05-13 2020-08-04 Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University Apparatus for measuring temperature of power device using piezoelectric device, apparatus for reducing thermal stress, and method for manufacturing the same
GR1009017B (en) * 2015-11-16 2017-04-24 Σταυρος Ξενοφωντα Δρακοπουλος Process for the improvement of the piezoelectric coefficients in composite piezoelectric materials
KR102339058B1 (en) * 2016-03-11 2021-12-16 한국전자통신연구원 Flexible piezoelectric composite and piezoelectric device including the same
WO2018062057A1 (en) * 2016-09-27 2018-04-05 三井化学株式会社 Piezoelectric substrate attachment structure, sensor module, moving body, and protecting body
IT201600118202A1 (en) 2016-11-22 2018-05-22 Atom Spa COMPOSITE MATERIAL WITH ELECTROSTRICTIVE PROPERTIES FOR A MECHANICAL ENERGY RECOVERY DEVICE
FR3064151B1 (en) * 2017-03-17 2021-10-15 Linxens Holding ELECTRICAL CIRCUITS, ELECTRICAL CIRCUITS AND ELECTRONIC COMPONENT MANUFACTURING PROCESS
KR102648766B1 (en) 2017-11-20 2024-03-20 삼성디스플레이 주식회사 Pressure sensor, manufacturing method of the same, and display device having the same
CN108281583A (en) * 2018-02-11 2018-07-13 宁波格林美孚新材料科技有限公司 A kind of calculus Flexible element battery storage materials and preparation method thereof
FR3083005B1 (en) * 2018-06-21 2020-11-20 Michelin & Cie ELASTOMERIC MATRIX DEVICE INCLUDING PIEZOELECTRIC CHARGES AND ELECTRODES
CN114174786A (en) * 2019-05-15 2022-03-11 Tdk电子股份有限公司 Ferroelectric sensor
CN111058089A (en) * 2019-12-18 2020-04-24 西安交通大学 Preparation method of sandwich structure dielectric energy storage composite film
CN112577644B (en) * 2020-10-29 2022-09-13 扬州大学 Bionic skin based on liquid core bionic cells
CN112713236B (en) * 2020-12-29 2024-02-27 北京工业大学 Piezoelectric composite material with common-chain arrangement of piezoelectric particles and metal nanorods and preparation method
WO2023178414A1 (en) * 2022-03-22 2023-09-28 National Research Council Of Canada 3d-printable piezoelectric ceramic compositions with carbon nanomaterials

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2094229C1 (en) * 1990-06-29 1997-10-27 Флекслайн Сервисиз Лтд. Composite material production method
JP2005068189A (en) * 2003-08-25 2005-03-17 Fuji Photo Film Co Ltd Piezoelectric transducing composite material and its manufacturing method

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2547030B2 (en) * 1987-07-13 1996-10-23 日本特殊陶業株式会社 Method for manufacturing composite piezoelectric body
WO2002080280A1 (en) * 2001-03-30 2002-10-10 The Regents Of The University Of California Methods of fabricating nanostructures and nanowires and devices fabricated therefrom
AU2003280735A1 (en) * 2002-12-19 2004-07-14 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Piezoelectric transducing sheet
US7777478B2 (en) * 2006-06-08 2010-08-17 University Of Dayton Touch and auditory sensors based on nanotube arrays
ZA200900834B (en) * 2006-07-26 2010-05-26 Massachusetts Inst Technology Electrochemical actuator
US20090056094A1 (en) * 2007-08-21 2009-03-05 Yong Shi Piezoelectric composite nanofibers, nanotubes, nanojunctions and nanotrees
US8310134B2 (en) * 2009-01-22 2012-11-13 William Marsh Rice University Composition for energy generator, storage, and strain sensor and methods of use thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2094229C1 (en) * 1990-06-29 1997-10-27 Флекслайн Сервисиз Лтд. Composite material production method
JP2005068189A (en) * 2003-08-25 2005-03-17 Fuji Photo Film Co Ltd Piezoelectric transducing composite material and its manufacturing method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
OGUT E. et al, Poly(vinylidene fluoride)/zinc oxide smart composite material, Poceeding of the SPIE, vol. 6526, 2007, p.65260Q-1 -65260Q-10 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN102792476A (en) 2012-11-21
JP5721738B2 (en) 2015-05-20
EP2510561A1 (en) 2012-10-17
FR2953824A1 (en) 2011-06-17
CA2783951C (en) 2018-02-27
CN102792476B (en) 2015-11-25
US20120267563A1 (en) 2012-10-25
US8877085B2 (en) 2014-11-04
FR2953824B1 (en) 2015-04-24
WO2011070275A1 (en) 2011-06-16
JP2013513937A (en) 2013-04-22
EP2510561B1 (en) 2015-07-01
CA2783951A1 (en) 2011-06-16
BR112012012579A2 (en) 2017-10-03
RU2012127275A (en) 2014-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2548604C2 (en) Piezoelectric and/or pyroelectric composite solid material, method of obtaining thereof and thereof application
Xu et al. Significantly enhanced dielectric performance of poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropylene)-based composites filled with hierarchical flower-like TiO2 particles
US10435293B2 (en) Methods of manufacturing energy conversion materials fabricated with boron nitride nanotubes (BNNTs) and BNNT polymer composites
Yang et al. Fabrication of PVDF/BaTiO3/CNT piezoelectric energy harvesters with bionic balsa wood structures through 3D printing and supercritical carbon dioxide foaming
Nivedhitha et al. Polyvinylidene fluoride, an advanced futuristic smart polymer material: A comprehensive review
Ansari et al. Piezoelectric polymeric foams as flexible energy harvesters: a review
US11968904B2 (en) Flexible piezoceramic composites and method for fabricating thereof
Korkmaz et al. BaTiO3-based nanogenerators: fundamentals and current status
Yu et al. Tuning the Energy Storage Efficiency in PVDF Nanocomposites Incorporated with Crumpled Core–Shell BaTiO3@ Graphene Oxide Nanoparticles
JP2013123366A (en) Actuator
WO2015026928A1 (en) Electrospinning to form nanofibers
KR101169544B1 (en) Manufacturing method for flexible nanogenerator and flexible nanogenerator manufactured by the same
Mariello Advanced lead-free piezoelectric materials: ceramics, polymers, and composites
KR102141734B1 (en) Flexible piezoelectric transducer having a chitin film
Ryu et al. Ferroelectric polymer PVDF-based nanogenerator
Adhikary et al. Piezoelectric Materials Based on Polymers and Their Composites
Rodrigues-Marinho et al. Introduction to piezoelectricity and electrospun piezoelectric materials and devices
Meng et al. Piezoelectric performance improvement via macromolecular rearrangement
Asghar et al. Synergistic improvement in piezoelectric, electrical, and mechanical properties of PVDF/PZT/Clay based Hybrid Nanocomposites
Joseph et al. Carbon Nanotubes for Piezo Electric Applications
Melilli et al. Enhanced piezoelectric response in nanostructured Ni/PVDF films
Shee et al. BaTiO 3‐Based Hybrid Piezoelectric Materials
KR20240092825A (en) Piezoelectric composite fiber with improved piezoelectric performance, manufacturing method thereof, and flexible piezoelectric energy harvester comprising the same
Xie et al. Carbon‐Enhanced Piezoelectric Materials and Applications
Kumar Fabrication and characterization of three-phase epoxy based piezoelectric composites

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181204